Изучение фитотоксичности ионов Cd ( II ) и Pb ( II )

 

Содержание в почве тяжёлых металлов и сопряжённая с этим транслокация их в растения – сложный процесс, на который влияет множество различных факторов.

Чтобы понять механизм воздействия каждого из них, следует изучать влияние отдельных факторов на фитотоксические действия тяжёлых металлов в условиях эксперимента.

Выбор культуры овса в качестве объекта исследования не случаен, поскольку является своеобразным индикатором и легко «откликается» на поступление и накопление металлов. Определение поступления тяжёлых металлов в растение проводилось в течение 30 дней, при этом особое внимание обращалось на уровень развития корневой системы и наземной части растения.

В первые 10 дней наиболее благополучно выглядели всходы, в которых была добавлена смесь биогумуса и тяжёлых металлов (Pb²⁺иCd²⁺ ). Они отличались наиболее длинными листьями и ветвистой корневой системой. На их фоне также хорошо выглядели всходы контроля, а растения с ацетатом натрия были самыми низкорослыми. Данные опыта предоставлены на рисунках 5 и 6. На 13-15 сутки эксперимента отмечается интенсивный рост культуры овса на почве – контроле, а также в лотках с использованием извести и биогумуса с концентрацией тяжёлых металлов (Pb²⁺иCd²⁺ ), в 20 раз превышающей ПДК.

Растения с ацетатом натрия – пожелтевшие и увядшие, несмотря на систематический полив и уход. Данные развития растения на 20-е сутки представлены на рисунках 7 и 8.

При совместном присутствии в почве тяжёлых металлов и CH₃COONa (для создания более кислой среды) рост корневой системы и наземной части визуально прекращается.

На 27-е сутки на общем фоне самыми благополучными выглядели растения, выращенные на почве – контроле. Сильно желтеет и сохнет культура, выращенная в системе “почва – тяжёлые металлы – известь”. Особенно ярко этот эффект проявляется при использовании соли Cd²⁺.

Овёс, выращенный в системе “почва – тяжёлые металлы – ацетат натрия” на 30-е сутки эксперимента погибает. Наблюдается частичная гибель растений в опытах с использованием солей тяжёлых металлов.

Об этом свидетельствуют данные, приведённые на рисунках 9 и 10. Высокая концентрация тяжёлых металлов в системе “почва – тяжёлые металлы – ацетат” вызывает резкое угнетение развития растений, что привело к формированию крайне низкой продуктивности продукции или полной гибели растений. В связи с этим данные роста и развития культуры овса в системе не приведены. Для этой модельной системы установлено наибольшее количество подвижных форм свинца и кадмия.

Таким образом, метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксичности ионов ТМ в системе «почва – растение». Показано, биогумус резко снижает количество подвижных форм Pb(II) и Cd(II) и, в связи с этим, их фитотоксичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность.

Рис. 5. Динамика корневой системы под влиянием ионов Pb²⁺ Cd²⁺(10 сутки)

Рис. 6. Развитие наземной части овса на 10 –е сутки с внесением Cd²⁺, Pb²⁺

Рис. 7. Развитие корневой системы овса на 20 –е сутки эксперимента

 

Рис. 8. Развитие наземной части овса на 20-е сутки эксперимента

Рис. 9. Развитие корневой системы на 30-е сутки эксперимента

 

Рис. 10. Развитие наземной части овса на 30-е сутки эксперимента.

Выводы

1. Установлено, что подвижность ионов Pb(II) и Cd(II) в выщелоченных чернозёмах и степень их фитотоксического действия на растения определяется количеством легко доступных растению подвижных форм ионов металлов, долей органического вещества в почвенном поглотительном комплексе и кислотностью почвенного раствора.

2. Метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксичности ионов ТМ в системе «почва – растение». Показано, биогумус резко снижает количество подвижных форм Pb(II) и Cd(II) и, в связи с этим, их фитотоксичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность.

3. Изучена поглотительная способность почв по отношению к ионам Cd(II) и Pb(II) под влиянием различных факторов:

- увеличение содержания органического вещества в почве приводит к возрастанию емкости поглощения почвы по отношению к ионам Pb(II) с 53,60 мг/кг по 20,01 мг/кг; по отношению к ионам Cd(II) - с 75,22 мг/кг по 28,02 мг/кг;

- с ростом рН возрастает доля подвижных форм ионов Pb(II) и Cd(II), легко доступных для растения.

4. Показано, что с ростом содержания органического вещества в почве количество подвижных ионных форм как свинца так и кадмия в 2,7 раза уменьшается, а  внесение извести практически не отражается на количестве подвижных форм свинца, тогда как доля подвижных форм кадмия уменьшается их 2 раза.

Литература

1. Добровольский В.В., География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М:.Мысль,1983

2. Понин М.С., Касымова Ж.С. Накопление биомассы и содержание цинка в проростках яровой пшеницы и тёмно – каштановой почве при внесении разных доз сульфата цинка //Агрохимия-1999-№3-с61-63

3. Понизовский А.А., Студеникина Т.А. Поглощение ионов меди (II) почвой и влияние на него органических компонентов почвенных растворов //Почвоведение – 1997-№7 с 850-859

4. Савич В.И., Оконская И.С. Определение уровня загрязнения почв и растений тяжёлыми металлами //Химизация сельского хозяйства 1992-№1-с 56-58

5. Геохимия тяжёлых металлов в природных и техногенных ландшавтах /Под ред. Глазовской, М:.МГУ, 1983

6. Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влиянии на здоровье населения. М:. РЭФИА, 1997

7. Полянский Н.Г. Свинец. М:.Наука 1986

8. Приходько Н.Н. Ванадий, хром, никель и свинец в почвах Притисской низменности и предгорий Закарпатья.//Агрохимия 1977-№4-с850-859

9. Золотарёва Б.Н., Скрипниченко И.И. Содержание и распределение тяжёлых металлов (свинца, кадмия и ртути) в почвах Европейской части СССР//Тенезис, плодородие и мелиорация почв. Пущино, - 1980 – с77-90

10.  Садовникова Л.К. Использование почвенных вытяжек при изучении соединений тяжёлых металлов // Химия в сельском хозяйстве – 1997-№2-с 37-40

11.  Кашин В.К., Иванов Б.М. Свинец в почвах юго – западного Забайкалья //Почвоведение –1998-№12-с 1502-1508

12.  Зырин Н.Г., Соколова Т.А. Сорбция свинца и состояние поглощённого элемента в почвах и почвенных компонентах // Почвоведение, 1986 - №4-с39-46

13.  Понизовский А.А., Мироненко Е.В. Механизмы поглощения свинца (II) почвами //Почвоведение – 2001-№4-с418-429

14.  Мироненко Е.В., Понизовский А.А. Математическая модель для описания химических равновесий в почвах с участием тяжёлых металлов, низкомолекулярных органических и фульвокислот.//Сборник тезисов. Тяжёлые металлы в окружающей среде. Пущино 15-18 октября 1996г. Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1996, с 153-154

15.  Волошин Е.И. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами и продуктивность растений. // Земледелие – 1998 - №3 – с22

16.  Отраслевые стандарты. Методы агрохимических анализов почв. М:.1977

17.  Добровольский Г.В., Гришина Л.А. Загрязнение тяжёлыми металлами и охрана почв. М:. МГУ, 1985

18.  А.Кабата – Пендиас, Х. Пендиас. Микроэлементы в почвах и растениях /под ред. Саета, 1989

19.  Ильин Б.В., Степанова М.Д. Распределение свинца и кадмия в растениях пшеницы, произрастающей на загрязнённых этими металлами почвах. // Агрохимия, 1980, с 114

20. Волуенко И. М., Меркулов М. П. Практикум по основам сельского хозяйства. – М.: Просвящение, 1975

21. Лозановская И. Н., Орлов Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. – М.: «Высшая школа», 1998. – 240 с.

22. Определение химического состава растительных материалов. Уч. пособие / В. П. Цыпленков, А. С. Фёдоров, Т. А. Банкина, Н.Н Фёдорова., под ред. Цыпленкова, СПб.: изд-во С. – Петербургского университета, 1997. 152 с.

23. Самохвалов П. С., Плесцов В. М. Закономерности внекорневого загрязнания культур кадмием и оценка биологического действия на вегетирующие растения. – М.: 1998.- 54 с.

24. Сурин В. А., Волошин А. Е. Влияние формы нахождения металлов в почве на их миграцию в овёс / Труд V всесоюзного совещания по миграции веществ в почве и сопредельных средах. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 154 с.

25. Передерий О. Г., Мишкевич Н. В. Охрана окружающей среды на предприятиях цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1991. – 286 с.

26. Добровольский В. В. Свинец в окружающей среде / Современные проблемы биосферы. – М.: Наука, 1987. – 182 с.

27. Бабкин В. В., Завалин А. А. Физиолого-биохимические особенности аспекта действия тяжёлых металлов на растения // Химия в сельском хозяйстве. – 1995. - №5. – с.17-21.

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Таблица 1

Статистическая обработка результатов

Почва-контроль	xi	x	xi-x	(xi-x)2	S	V	o
1. содержание гумуса	6,47 6,48 6,54	6,50	0,03 0,02 0,04	0,0009 0,0004 0,0016	0,038	0,00145
2. жёсткость Са2+ + Мg2+	1,72 1,64 1,69	1,68	0,04 0,04 0,01	0,0016 0,0016 0,0001	0,040	0,00165
3. определение суммы поглощенных оснований	46,7 44,3 47,0	46,0	0,7 1,7 1,0	0,49 2,89 1,00	1,48	2,19
4.гидролитическая кислотность	0,26 0,28 0,27	0,27	0,01 0,01 0,00	0,0001 0,0001 0,00	0,01	0,0001
5. обменная кислотность	0,02 0,01 0,01	0,01	0,01 0,00 0,00	0,0001 0,00 0,00	0,0070	0,00005

 

Таблица 2

Содержание валовых и подвижных форм Pb (II)

система	xi	x	xi-x	S	V	o
Валовое содержание (5 н. HNO 3 )
почва-фон	8,72 8,68 8,68	8,69	0,03 0,01 0,01	0,023	0,00055
почва +  Pb 2+	0,184 0,180 0,179	0,181	0,03 0,01 0,02	0,026	0,0007
почва + Pb2++ СН3СOONa	1,556 1,550 1,555	1,554	0,02 0,04 0,01	0,032	0,00105
почва + Pb2++ биогумус	0,386 0,386 0,385	0,386	0,00 0,00 0,01	0,007	0,00005
почва + Pb2++ известь	0,321 0,318 0,323	0,320	0,01 0,02 0,03	0,026	0,0007
Подвижные формы (1 н. СН3СОО N Н4)
почва-фон	2,88 2,93 2,91	2,91	0,03 0,03 0,00	0,03	0,0009
почва +  Pb 2+	0,094 0,098 0,099	0,097	0,03 0,01 0,02	0,026	0,0007
почва + Pb2++ СН3СOONa	0,782 0,784 0,778	0,780	0,02 0,04 0,02	0,034	0,012
почва + Pb2++ биогумус	0,075 0,077 0,078	0,077	0,02 0,00 0,01	0,016	0,00025
почва + Pb2++ известь	0,145 0,148 0,142	0,146	0,01 0,02 0,04	0,032	0,00105

 

Таблица 3

Содержание валовых и подвижных форм Сd (II)

система	xi	x	xi-x	S	V	o
Валовое содержание (5 н. HNO3)
почва-фон	0,319 0,326 0,323	0,323	0,004 0,003 0,00	0,004	0,0000125
почва +  Pb 2+	33,402 33,428 33,384	33,404	0,002 0,024 0,02	0,022	0,00049
почва + Pb2++ СН3СOONa	15,648 15,654 15,652	15,650	0,002 0,004 0,002	0,003	0,000012
почва + Pb2++ биогумус	29,641 29,644 29,647	29,645	0,004 0,001 0,002	0,003	0,0000105
почва + Pb2++ известь	22,034 22,031 22,037	22,034	0,00 0,003 0,003	0,003	0,000009
Подвижные формы (1 н. СН3СООNН4)
почва-фон	0,072 0,082 0,079	0,079	0,007 0,003 0,00	0,005	0,000029
почва +  Pb 2+	25,127 25,128 25,127	25,128	0,001 0,00 0,001	0,001	0,000001
почва + Pb2++ СН3СOONa	5,984 5,981 5,983	5,983	0,01 0,02 0,00	0,002	0,0000025
почва + Pb2++ биогумус	8,309 8,308 8,309	8,309	0,00 0,00 0,011	0,001	0,0000005
почва + Pb2++ известь	7,868 7,869 7,8060	7,864	0,004 0,005 0,004	0,005	0,0000285