ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И МИГРАЦИИ МАРГАНЦА И КАДМИЯ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА–РАСТЕНИЕ» ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВЫ МЕТАЛЛАМИ

THE FEATURES OF ACCUMULATION AND MIGRATION OF MANGANESE AND CADMIUM IN THE SYSTEM "SOIL–PLANT" IN THE POLLUTION SOIL METALS

Aleksander Korolev

associate Professor, Candidate of Biological Sciences, Omsk State Agrarian University

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

Проведенные исследования показали, что проростки яровой пшеницы могут использоваться как индикаторные при диагностике содержания токсичных доз тяжелых металлов в почве. Первые признаки угнетающего действия тяжелых металлов проявляются, как правило, уже на 7–8 сутки. Наиболее чувствительны проростки яровой пшеницы к накоплению кадмия и являются его концентраторами. Накопление тяжелых металлов в растениеводческой продукции зависит от содержания их подвижных форм в почвах. Для кадмия и марганца характерен акропетальный тип накопления металлов. В пшенице, выращиваемой в зоне повышенного техногенного воздействия, Cd способен накапливаться в концентрациях значительно превышающих ПДК. Биологическая доступность кислоторастворимой, обменной и водорастворимой форм соединений Mn в условиях загрязнения почвы ТМ и марганцем зависит от характера биэлементного загрязнения почвы и дозы поллютанта. В условиях би- и полиэлементного обога­щения почвы Cd и Mn исследуемые формы по величине Кн марганца, а следовательно, по степени доступности их растениям, образуют убывающий ряд: NH4Ас, рН 4,8 > Н₂О > 1н. HCl.

ABSTRACT

Studies have shown that spring wheat seedlings can be used as a tracer in the diagnosis of toxic doses of heavy metals in the soil. The first signs of the inhibitory action of heavy metals are manifested, usually 7-8 days. The most sensitive spring wheat seedlings to the accumulation of cadmium, and are the hubs. The accumulation of heavy metals in plant products depends on the content of their mobile forms in soil. For cadmium and manganese characteristic acropetally type of accumulation of metals. In wheat grown in an area of high anthropogenic impact, Cd is able to accumulate at concentrations significantly exceeding the maximum allowable concentration. Bioavailability acid, exchangeable and water soluble forms of Mn compounds in conditions of soil pollution with heavy metals and manganese depends on the nature myelementname of soil contamination and the dose of the pollutant. In terms of bi- and polyelement enrichment of soil Cd and Mn of the investigated forms largest KN of manganese, and therefore, the degree of its accessibility to plants, form a decreasing series: NH4Ас, pH 4,8 > H₂O > 1н. HCl.

Ключевые слова: марганец, кадмий, темно-каштановая почва, тяжелые металлы, миграция тяжелых металлов.

Keywords: manganese, cadmium, dark chestnut soil, heavy metals, migration of heavy metals.

Введение

Токсическое действие химических элементов начинает проявляться на ранних стадиях развития растений, но в различной степени на различных почвах и для разных культур. Как известно, зерновые культуры более устойчивы к действию больших количеств таких тяжелых металлов (ТМ), как Zn, Pb, Cd, Cu.

Согласно В.Б. Ильину [3, 5], содержание химического элемента в растении – это, прежде всего, результат действия генетического и экологического факторов. Если генетический фактор стремится сделать содержание элемента в растении стабильным, то экологический, напротив, его дестабилизирует, определяя значительное варьирование показателя [4]. Принято считать, что все зерновые культуры (их репродук­тивные органы) характеризуются отражательным типом накопления ТМ. Однако фаза развития в онтогенезе растений играет определяющую роль в определении типа поглощения элементов. Проростки зерновых культур (ранняя фаза развития) могут характеризоваться как индика­торным, так и аккумулятивным типом поглощения, что определяется свойствами каждого из металлов, состоянием каждого металла в почве, соотношением металлов.

Цель исследования: исследование токсических свойств Cd, особен­ностей миграции металлов (Mn и Cd) в системе «почва-растение» и накопления в проростках яровой пшеницы в условиях загрязнения темно-каштановой почвы тяжелыми металлами.

Материал и методы исследования.

В качестве объекта исследования были использованы образцы пахотного горизонта темно-каштановой нормальной тяжелосуглинистой почвы сухостепной зоны Восточно-Казахстанской области Республики Казахстан. Содержание подвижного P₂O₅ – 7,42 и обменного K₂O – 24,8 мг/100 г почвы; гумус – 3,2 %; рНводн. – 7,1; сумма обменных катионов – 24,4 мг/экв на 100 г, илистая фракция – 22 %, физическая глина – 44,1 %.

Все исследования проводились в условиях вегетационных опытов по методике З.И. Журбицкого [2] на примере яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Саратовская 29.

Моно-, би- и полиэлементное загрязнение почвы ТМ осуществлялось легкорастворимыми солями нитратов, сульфатов и ацетатов (Cu (CuSO₄^.5H₂O), Zn (ZnSO₄^.7H₂O), Pb (Pb(NO₃)₂), Cd (Cd(CH₃COO)₂^.2H₂O) и Cr (CrCl₃^.6H₂O), которые вносились в почву в растворенном в дистиллированной воде виде. Дозы металлов соответствовали 1, 3 и 5 ПДК [10, 15]: Cu – 100, 300, 500 мг/кг воздушно-сухой почвы, Zn – 300, 900, 1500 мг/кг, Pb – 32, 96, 160 мг/кг, Cd – 3, 6, 15 мг/кг, Cr – 100, 300, 500 мг/кг в пересчете на металл. Такая схема опыта имитировала возможное влияние выбросов на протяжении приблизительно 3, 10 и 30 лет работы на почву активного сельскохозяйственного оборота и интенсивной агрохимической обработки. Марганец в почву вносился в виде соли MnCl₂^.4H₂O в дозах 100, 200 и 300 мг/кг воздушно-сухой почвы в пересчете на металл. Контролем служили растения, выращенные на почве без внесения солей металлов.

Содержания Mn в почвенных вытяжках определяли персульфатным методом с окончанием на фотометре КФК-3 по Г.Я. Ринькис [12].

Определение концентрации металлов в почве и в органах растений определяли методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы PerkinElmer, модель 403 с электротермическим анализатором HGA-74 с дейтериевым корректором фона [14].

Результаты исследования и их обсуждение

В результате фенологических наблюдений установлено, что всхожесть семян во всех вариантах вегетационного опыта в условиях моно-, би- (Mn, Cd) и полиэлементного (Mn, Zn, Pb, Cd, Cu) загрязнения темно-каштановой почвы составила 100%. Однако, по времени появления всходов было отмечено, что обогащение почвы комплексом ТМ на фоне различных концентраций марганца приводило к значительной задержке появления входов (табл. 1).

Таблица 1.

Сроки появление входов яровой пшеницы в условиях обогащения почвы тяжелыми металлами на фоне различных концентраций Mn, сутки

Поражающее действие ТМ проявлялось в виде хлороза листьев, который сопровождался пожелтением, побурением или покраснением листовых пластин с дальнейшим их усыханием. Первые признаки угне­тающего действия проявлялись уже на 7–8 сутки в вариантах опытов [9]:

Cd (3 ПДК) +Mn 0, 100, 200, 300 мг/кг (бурые пятна)

Cd (5 ПДК) +Mn 200, 300 мг/кг (бурые пятна)

Cu, Zn, Pb, Cd, Cr (3 ПДК) +Mn 300 мг/кг (бурые и белые пятна)

Cu, Zn, Pb, Cd, Cr (5 ПДК) +Mn 200, 300 мг/кг (бурые и белые пятна)

Характер угнетающего действия ТМ на фоне неодинакового содер­жания марганца в почве определялся процентом листьев подверженных хлорозу к концу вегетационного опыта (табл. 2, 3).

Таблица 2.

Степень угнетения проростков пшеницы в условиях вегетационного опыта, %

Примечание: - степень угнетения оценивалась по количеству листьев, подвергшихся в течении опыта пожелтению, побурению или покраснению с дальнейшим их усыханием;

• * в варианте Cu, Zn, Pb, Cd, Cr – % от числа жизнеспособных проростков.

Таблица 3.

Средняя высота надземной части проростков яровой пшеницы по окончании вегетационного опыта, см.

Примечание: - средняя высота надземной части проростков оценивалась по высоте 50% листьев от их общего количества во всех повторностях;

- * в варианте Cu, Zn, Pb, Cd, Cr – от числа жизнеспособных проростков.

Установлено, что загрязнение темно-каштановой среднесугли­нистой почвы ТМ как в индивидуальных вариантах (Mn и Cd), так и в вариантах с одновременным обогащением почвы ТМ (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr) и Mn оказывает ощутимое влияние на формирование биомассы растений. В диапазоне изученных концентраций Mn оказывал как стимулирующее, так и суммирующее угнетающее действие на урожай биомассы проростков яровой пшеницы. В первом случае имело место относи­тельное стимулирующее действие, которое проявлялось в некотором увеличении биомассы при внесении Mnв дозе 100–300 мг/кг (табл. 4).

Таблица 4.

Влияние различных доз марганца и тяжелых металлов на урожай биомассы проростков яровой пшеницы и вес корней (г/сосуд)

Примечание: над чертой – вес биомассы, под чертой – вес корней (вес абсолютно сухой массы).

Внесение в почву повышенных доз Cd (1–5 ПДК) при одновременном обогащении почвы Mn в дозах 100–300 мг/кг было токсичным для исследуемой культуры и приводило к снижению биомассы проростков яровой пшеницы.

Таким образом, кадмий в пределах исследуемых доз как в индивидуальных вариантах опытов, так и в условиях биэлементного обогащения темно-каштановой почвы возрастающими дозами подавлял процессы роста, что сказывалось на количестве биомассы проростков яровой пшеницы.

Поступление Mn и Cd в проростки яровой пшеницы зависело от сопутствующей нагрузки на почву вида ТМ и дозы внесения (табл. 5).

Таблица 5.

Влияние различных доз марганца и кадмия на их накопление в проростках яровой пшеницы, мг/кг сухой массы

Примечание: над чертой – содержание элемента в надземных органах, под чертой – содержание элемента в корнях.

Увеличение доз внесения Mn и Cd приводило к увеличению накопления данных элементов в проростках яровой пшеницы. Так, внесение Cd в дозе 1 ПДК на фоновой почве приводило к возрастанию содержания данного элемента в надземных органах проростков в 11,7 раза, а при дозах 3 и 5 ПДК данного элемента – в 14,2 и 18,2 раза соответственно. В условиях полиэлементного загрязнением почвы поступление каждого элемент значительно возрастало. Так, если в условиях моноэлементного загрязнения фоновой почвы Cd в дозе 1 ПДК содержание элемента в надземных органах растений увеличилось в 11,7 раза, то в условиях полиэлементного загрязнения в дозе 1 ПДК каждого ТМ (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr) содержание Cd в надземных органах увеличилось в 48,5 раза, т. е. токсичность Cd увеличивается в 4,14 раза. Максимум поступления Cd в надземные органы проростков отмечался в условиях полиэлементного загрязнения фоновой почвы в дозе 5 ПДК каждого элемента (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr); при этом содержание Cd в надземных органах увеличилось в 636 раз, т. е. токсичность Cd увели­чилась в 54,4 раза в сравнении с образцом внесения в почву данного элемента в дозе 1 ПДК на фоновой почве. Следует отметить, что из исследуемых ТМ в большей степени проростки яровой пшеницы накапливали Cd, являясь концентраторами данного элемента.

В условиях опыта Mn, а также комплекс ТМ (Cu, Zn, Pb, Cr) также оказывали заметное влияние на увеличение накопления Cd в надземных органах проростков. При этом между Mn и Cd отмечались явления как синергизма, так и антагонизма, которые сменяли друг другу в условиях нарастающего загрязнения фоновой почвы Mn.

Количественным показателем уровня аномальности содержания ТМ в почве является коэффициент токсичности (Кт) [1], в основу опреде­ления которого положены биомасса и концентрация металла в растении (табл. 6).

Таблица 6.

Влияние различных доз марганца и тяжелых металлов на величину коэффициента токсичности (по ТМ) в условиях вегетационного опыта

В условиях вегетационного опыта установлено, что с увеличением дозы внесения в почву Cd Кт(Mn) повышается.

Одним из показателей степени накопления элементов растениями является коэффициент биологического поглощения (КБП), который характеризует распределение элемента между живым веществом и абиотической средой. В условиях вегетационного опыта выявлено, что при увеличении вносимых в почву доз Mn от 100 до 300 мг/кг как в условиях моно-, так и биэлементного загрязнения почвы Cd значения КБП как надземной части проростков яровой пшеницы, так и корневой системы увеличиваются (табл. 7).

Согласно рядам биологического поглощения элементов А.И. Перельмана [11], Mn является элементом слабого накопления и среднего захвата. Однако, как свидетельствуют результаты вегетаци­онных опытов, обогащение почвы Mn как в условиях моноэлементного, так и в условиях биэлементного загрязнения (ТМ–Mn) переводит его в разряд элементов сильного накопления. При этом Mn переходит из группы захватывающихся в группу накапливающихся.

Таблица 7.

Величина коэффициента биологического поглощения (КБП) марганца в условиях загрязнения темно-каштановой почвы марганцем и кадмием

Примечание: над чертой – КБП в надземных органах, под чертой – КБП в корнях.

Исходя из представлений Д.А. Сабинина [13] об акропетальном и базипетальном характере распределения химических элементов в растениях, можно заключить, что Mn и Cd в условиях моно-, би- и полиэлементного загрязнения темно-каштановой почвы в проростках яровой пшеницы накапливаются по акропетальному типу (табл. 8).

Таблица 8.

Влияние различных доз тяжелых металлов и марганца на отношение содержания его в корнях и надземной части проростков яровой пшеницы (коэффициент перераспределения)

В почвенных исследованиях важное экологическое значение имеют подвижные и менее подвижные соединения поллютантов, которые в случае изменения почвенных условий, главным образом кислотно-щелочной обстановки, могут стать более мобильными и, как следствие, более доступными для поглощения растениями [7, 8]. Для решения практических задач сельского хозяйства и охраны природы принято выражать соотношение основных форм загрязнителей в виде коэффи­ци­ентов, одним из которых является фактор биологической доступности (BF) форм соединений элементов в почве. Значения BF кислотораство­римой, обменной и водорастворимой форм Mn зависели от двух факторов: 1) характера биэлементного загрязнения почвы; 2) дозы вносимых поллютантов. Расчет BF(Mn) показал, как изменяется коли­чество подвижных форм соединений данного МЭ в почве и какое их количество может быть поглощено растением в условиях загрязнения почвы ТМ (табл. 9). В условиях обогащения почвы Mn с увеличением вносимой дозы показатели BF для подвижных форм соединений данного МЭ возрастали в 3,29; 2,07 и 1,53 раза соответственно для обменной, кислоторастворимой и водорастворимой формы. Однако при биэлементном загрязнении почвы в условиях Cd–Mn показатели BF для подвижных форм соединений Mn с увеличением вносимой дозы как ТМ, так и Mn увеличивались, а для водорастворимых форм снижались.

Таблица 9.

Фактор биологической доступности (BF) марганца в темно-каштановой среднесуглинистой почве в условиях загрязнения тяжелыми металлами, %

Критерием оценки количеств металла, перешедших из почвы в растение, является коэффициент его накопления (Кн) [6]. В качестве экстрагентов были использованы: NH₄Ас, рН 4,8 для обменной формы, Н₂О – для водорастворимой 1н. HCl – для кислоторастворимой формы. В вегетационном опыте было установлено, что Кн(Mn) в проростках яровой пшеницы, перешедших из почвы из подвижных форм, существенно изменяется под влиянием токсичных доз Cd при одновременном увеличении нагрузки на почву Mn. При этом характер изменения Кн определяется как характером загрязнения почвы химическими элементами, так и дозой элементов (табл. 10).

Таблица 10.

Величина коэффициент накопления (Кн) подвижных форм марганца в условиях обогащения темно-каштановой среднесуглинистой почвы тяжелыми металлами

В условиях вегетационного опыта как при моно-, так и при биэлементном загрязнении почвы Cd и Mn, количество водо­растворимой, кислоторастворимой и обменной форм Mn, перешедших из почвы в растения, имело нестабильный характер. Во всех вариантах опыта при биэлементном обогащении почвы Cd и Mn Кн марганца по степени доступности его форм растениям образует убывающий ряд:

NH₄Ас, рН 4,8 > Н₂О > 1н. HCl

Установлены положительные корреляционные зависимости между вносимой дозой Cd и Mn, концентрацией их подвижных форм в почве и содержанием Mn в биомассе проростков пшеницы. Корреляция между содержанием марганца в биомассе проростков и концентрацией его подвижных форм в почве в условиях биэлементного (Cd–Mn) загрязнения была высокой: обменной формы – в пределах 0,971–0,997; водорастворимой – в пределах 0,933–0,986; кислоторастворимой форы – в пределах 0,822–0,948.

Выводы.

Проростки яровой пшеницы (фаза развития 28 дней) могут использоваться как индикаторные при диагностике содержания ток­сичных доз тяжелых металлов (например, кадмия) в почве. Первые признаки угнетающего действия ТМ проявляются, как правило, уже на 7–8 сутки. Проростки яровой пшеницы являются концентраторами кадмия.

Накопление тяжелых металлов в растениеводческой продукции зависит от содержания их подвижных форм в почвах и от биологических особенностей культур. В органах растений металлы распределяются неравномерно. Для кадмия и марганца характерен акропетальный тип накопления металлов. В пшенице, выращиваемой в зоне повышенного техногенного воздействия, Cd способен накапливаться в концентрациях значительно превышающих ПДК.

Биологическая доступность кислоторастворимой, обменной и водорастворимой форм соединений Mn в условиях загрязнения почвы ТМ и марганцем зависит от характера биэлементного загрязнения почвы и дозы поллютанта. В условиях би- и полиэлементного обогащения почвы Cd и Mn исследуемые формы по величине Кн марганца, а следовательно, по степени доступности их растениям, образуют убывающий ряд: NH₄Ас, рН 4,8 > Н₂О > 1н. HCl.

В условиях загрязнения почв тяжелыми металлами эффективность их миграции из почвы в растительный организм снижается, о чем свидетельствуют невысокие значения коэффициентов накопления.

Список литературы:

1. Битюцкий Н.П. Микроэлементы и растение / Н.П. Битюцкий. СПб: Изд-во С-Петерб. ун-та, 1999. – 232 с.
2. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода / З.И. Журбицкий. М.: Наука, 1968. – 263 с.
3. Ильин В.Б. Содержание и соотношение химических элементов в растениях // Изв. СО АН СССР. Сер.биол.наук. – 1981. – Вып. 3. – № 15. – С.54-56.
4. Ильин В.Б. Тяжелые металлы – защитные возможности почв и растений – урожай / В.Б. Ильин, М.Д. Степанова // Химические элементы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1982. – С. 73-92.
5. Ильин В.Б. Элементный химический состав растений / В.Б. Ильин. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1985. – 129 с.
6. Ильин В.Б. Система показателей для оценки загрязненности почв тяжелыми металлами // Агрохимия. – 1995. – №1. – С. 94-99.
7. Ковальский В.В. Микроэлементы в почвах СССР / В.В. Ковальский, Г.А. Андрианова. М.: Наука, 1970. – 178 с.
8. Ковалевский А.Л. Биогеохимия растений. Новосибирск: Наука Сиб. отд-ние, 1991. – 294 с.
9. Королёв А.Н. Формы соединений марганца в почвах при моно- и поли­элементном загрязнении тяжелыми металлами: диссертация ... кандидата биологических наук: 03.00.16 Семипалатинск, 2007. – 196 с.
10. Ориентировочно допустимые концентрации ТМ и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг). Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК 6229-91. Утверждено Постановлением Госкомсанэпиднадзора России № 13 от 27 декабря 1994 г. − 7 с.
11. Перельман А.И. Геохимия. М.: ВШ, 1979. – 423 с.
12. Ринькис Г.Я. Оптимизация минерального питания растений / Г.Я. Ринькис. Рига: Зинатне, 1972. – 355 с.
13. Сабинин Д.А. Физиологические основы питания растений. М.: АН СССР, 1955. – 205 с.
14. Спектрометр атомно-абсорбционный с пламенной атомизацией. Руководство по эксплуатации. М.: ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений, 2003.
15. Kloke A. Orientirungsdaten fur toleriebare Gesumtgehalteeiniger Elemente in Kulterboden // Mitteilungen VDLVFA. 1980. H. 2. Р. 32-38.