АГРОХИМИЯ, 2015, № 1, с. 89-96
УДК 632.95.024.4:633.335:546.4:631.445
ОЦЕНКА ФИТОТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ Cd НА КОРМОВЫЕ БОБЫ ПРИ ИХ ВЫРАЩИВАНИИ НА РАЗНЫХ ТИПАХ ПОЧВ
© 2015 г. Н.Н. Лой, Н.И. Санжарова, М.П. Миронова
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии
и агроэкологии
49032 Обнинск, Калужская обл., Киевское шоссе, 109, Россия E-mail: loy.nad@yandex.ru
Поступила в редакцию 09.07.2014 г.
Изучено влияние загрязнения кадмием разных типов почв на развитие кормовых бобов сорта Орлецкие. Показано, что как по проявлению фитотоксического эффекта на морфометрические и биохимические показатели, так и по степени увеличения накопления Cd в растениях бобов изученные типы почв можно представить следующим рядом: дерново-подзолистая супесчаная почва > > торфяно-болотная низинная > чернозем обыкновенный. Продукция, полученная при выращивании кормовых бобов на всех типах почв, не соответствовала требованиям ДУ Cd для биомассы и зерна в изученном интервале доз загрязнения от 2 до 200 мг Cd/кг почвы. Ключевые слова: кадмий, фитотоксическое действие, кормовые бобы, типы почв.
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) происходит за счет транспортных и промышленных выбросов, а также в процессе сельскохозяйственного производства. Особое положение ТМ среди загрязняющих веществ техногенного происхождения обусловлено тем, что для них не существует механизмов самоочищения компонентов биоты [1]. Тяжелые металлы накапливаются в поверхностном слое почв и изменяют их свойства, активно включаются в процессы миграции по трофическим цепям и в течение длительного времени остаются доступными для поглощения корнями растений [2, 3]. При ведении сельского хозяйства на загрязненных территориях необходимо учитывать закономерности распространения ТМ с выбросами, особенности их поведения в почве и миграции в системе почва-растение.
Интенсивность перехода ТМ из почвы в растительные организмы определяется химическими свойствами и физико-химическим состоянием элементов, свойствами почв, биологическими особенностями растений и условиями их выращивания. Отсутствие сведений о динамике развития токсических эффектов в растениях разных видов при их выращивании на различных типах почв с повышенным по сравнению с фоном содержанием ТМ требует дополнительного изучения их влияния на растения.
Цель работы - изучение влияния Cd, внесенного в почвы различных типов (дерново-подзолистой супесчаной, чернозема обыкновенного и торфа низинного) в концентрациях, многократно превышающих ПДК, на рост и развитие кормовых бобов в онтогенезе и накопление металла в растениях.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объекта исследования были выбраны кормовые бобы (Vicia faba L.) сорта Орлецкие. Растения бобов выращивали на трех типах почвы - дерново-подзолистой супесчаной, черноземе обыкновенном и торфяно-болотной низинной со следующими агрохимическими характеристиками. Дерново-подзолистая: pHKCl 5.22 ± 0.01, гумус - 1.0 ± 0.01, емкость катионного обмена -5.3 ± 0.01 мг-экв/100 г почвы, содержание P2O5 -126.9 ± 1.9, K2O - 77.7 ± 1.3 мг/100 г почвы; чернозем: pHKCl 5.39 ± 0.01, гумус - 4.32 ± 0.08, емкость катионного обмена - 34.4 ± 0.02 мг-экв/100 г почвы, содержание P2O5 - 120.0 ± 1.3, K2O -123.9 ± 2.4 мг/100 г почвы; торф: pHKCl 4.77 ± 0.01, органическое вещество - 21.3 ± 0.92, емкость катионного обмена - 105.0 ± 1.0 мг-экв/100 г почвы, содержание P2O5 - 28.2 ± 0.6, K2O -372.7 ± 3.9 мг/100 г почвы [4].
Перед посевом в почву вносили элементы питания (N, P, K) в дозе N150P100K100 в виде водных растворов солей KH2pO4, K2SO4 и NH4NO3.
Кадмий добавляли в виде водного раствора соли Cd(N03)2 • 4Н2О в концентрациях: в дерново-подзолистую почву и чернозем - 2, 5, 10, 20, 50, 100 мг/кг; в торф - 5, 10, 20, 50, 100, 200 мг/кг воздушно-сухой почвы. ПДК (ОДК) Cd для дерново-подзолистой супесчаной почвы составляет 0.5 мг/кг, для чернозема и торфа - 1 мг/кг по валовому содержанию [5].
Закладку вегетационного опыта проводили по общепринятой методике [6]. Бобы выращивали до полной спелости при температуре воздуха 18-20°С, влажности воздуха 60-70% и влажности почвы 60% ПВ. Повторность опыта шестикратная.
Оценку влияния повышенного содержания Cd в почве на развитие кормовых бобов определяли с помощью морфометрических и биохимических показателей. Изменение морфофизиологических показателей состояния кормовых бобов (высоту растений, площадь листовой поверхности (ПЛП), биомассу) учитывали на 21-е, 41-е и 77-е сут после посева по общепринятым методикам [7].
Фотосинтетические пигменты определяли спектрофотометрическим методом после экстракции 96%-ным этанолом [8]. Интенсивность пере-кисного окисления липидов (ПОЛ) оценивали по содержанию реагирующего с 2-тиобарбитуровой кислотой малонового диальдегида (МДА) [9], накопление свободного пролина - по его реакции с кислым нингидрином [10]. Измерение оптической плотности растворов из экстрактов листьев для определения содержания малонового диаль-дегида, свободного пролина и пластидных пигментов проводили на спектрофотометре UNICO 1200 (Россия).
Уборку кормовых бобов проводили в 2 этапа - на биомассу (77-е сут после посева) и на зерно (полная спелость - 100 сут). Через 2 нед после уборки определяли показатели структуры урожая.
Для оценки динамики поглощения ТМ в подготовленных к анализу растительных образцах измеряли (в расчете на абсолютно сухую массу) концентрацию Cd. Содержание Cd в почвенных вытяжках (при экстракции почвы растворами 1М CH3COONH4 (pH 4.8) при соотношении почва : : раствор = 1 : 10), а также в растительных пробах (после мокрого озоления измельченного материала смесью кислот HNO3 и HClO4 в соотношении 3 : 1) определяли методом атомной абсорбции на приборе Varían Spectr AA 250+ [11]. Результаты проведенных экспериментов обработаны с применением пакета прикладных программ Microsoft Excel 2003.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Процессы фиксации техногенного Сё почвенными компонентами в отличие от многих других металлов слабо выражены либо отсутствуют вовсе [12-14]. Это обусловливает большую подвижность Сё в почвах и высокие экологические риски загрязнения. Использованные в опыте концентрации Сё моделировали интенсивное химическое загрязнение почвы и превышали ПДК до 200 раз.
Избыток ТМ в окружающей среде приводит к дисбалансу компонентов питания, нарушению синтеза и функций многих биологически активных соединений: ферментов, витаминов, гормонов [15, 16]. В совокупности эти нарушения гомеостаза могут приводить к подавлению роста растений [17].
На стадии 4-х настоящих листьев культуры (21-е сут после посева) Сё оказал ингибирующее влияние на рост растений кормовых бобов при внесении в почву высоких концентраций металла (рис. 1). На дерново-подзолистой почве (ДП) были наиболее значимыми изменения высоты растений (ее достоверное (при р < 0.05) снижение на 30-44% при дозах 50 и 100 мг Сё/кг почвы) и ПЛП (снижение на 19% при дозе 100 мг Сё/кг). Для данного типа почвы отмечено стимулирующее действие Сё на растения бобов лишь на уровне тенденции - увеличение сухой биомассы до 20% при дозах 5 и 10 мг Сё/кг.
На торфяной почве (ТП) достоверное снижение высоты растений отмечено при высоких уровнях загрязнения (100 и более мг Сё/кг) в пределах 10% по сравнению с контролем.
В отличие от дерново-подзолистой и торфяной почвы на черноземе (ЧП) не было установлено угнетающего действия Сё на ростовые процессы кормовых бобов в фазе 4-х настоящих листьев (21-суточные растения). Напротив, наблюдали усиление ростовых процессов в интервале доз металла 20-100 мг/кг почвы, проявившееся в достоверном увеличении высоты растений на 10-12%. Стимулирующий эффект при низких уровнях загрязнения почвы Сё отмечен и другими авторами. Известно, что хотя Сё, являющийся химическим аналогом Zn и способный замещать его в ферментах, регулирующих сложные метаболические процессы, относится к числу наиболее фитотоксичных элементов [18], в малых дозах он может оказывать стимулирующее действие на рост и развитие растений [19]. Увеличение высоты растений при высоких уровнях загрязнения чернозема Сё, вероятно, можно объяснить вы-
20 40 60 80 Сё, мг/кг почвы
20 40 60 80 100 Сё, мг/кг почвы
0 20 40 60 80 Сё, мг/кг почвы
—О—ДП —□—ЧП ....д--- ТП
Рис. 1. Влияние Сё на морфофизиологические показатели кормовых бобов на разных типах почв: (а) - высота растений, (б) - площадь листовой поверхности (ПЛП), (в) - биомасса растений.
сокими агрохимическими показателями данного типа почвы, способствующими большей фиксации металла почвенно-поглощающим комплексом (ППК) и снижению его перехода в растения.
Присутствие Сё в почве влияло на активность фотосинтетических процессов в растениях кормовых бобов (рис. 2). Установлено, что изменение содержания фотосинтетических пигментов в растениях в большей степени зависело от типа почвы, на которой выращивали бобы. Для дерново-подзолистой и торфяной почвы, независимо от уровня загрязнения их элементом, количество хлорофилла а и хлорофилла б почти не отличалось от контроля. Для чернозема, напротив, почти при всех дозах Сё отмечено значительное увеличение содержания хлорофилла а и хлорофилла б (на 25-70% по сравнению с контролем) прямо пропорционально росту концентрации металла, за исключением дозы 5 мг/кг, где данные показатели не отличались от контроля. Отсутствие токсического действия кадмия на содержание фотосинтетических пигментов в растениях, выращенных на черноземе, можно объяснить большей буферной емкостью почвы - более гумусированной и более тяжелого гранулометрического состава по сравнению с другими изученными типами почв.
Содержание каротиноидов в листьях кормовых бобов также зависело от типа почвы и дозы Сё (рис. 2в). Для чернозема было характерно увеличение содержания пигмента (на 19-70%) при всех дозах, кроме дозы 5 мг/кг; для торфа, напротив, достоверное (при р < 0.05) его снижение на 22-59% при всех концентрациях Сё, кроме дозы 20 мг/кг. На дерново-подзолистой почве наблюдали увеличение (на 17-30%) содержания каротиноидов при относительно небольшом загрязнении почвы Сё (2 и 5 мг/
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.