close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3000.ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (МЕДИ И СВИНЦА) В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-ЪПМ
На правах рукописи
Шаранова Екатерина Вячеславовна
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ
СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
(МЕДИ И СВИНЦА)
В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ
Специальность 03.00.16 - Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Орел - 2006
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный
университет» на кафедре агроэкологии и охраны окружающей среды
Научный руководитель:
доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Гурин Александр Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Лысенко Николай Николаевич
доктор биологических наук, профессор
Ладнова Галина Георгиевна
Ведущая организация: Курская государственная сельскохозяйственная
академия им. профессора И.И. Иванова
Защита состоится 15 декабря 2006 г. в / ^
часов на заседании
диссертационного совета КМ 220.052.01 в ФГОУ ВПО «Орловский
государственный аграрный университет» по адресу: 302019, г. Орел,
ул. Генерала Родина, 69.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского
государственного аграрного университета по адресу: г. Орел, Бульвар
Победы, 19.
Автореферат разослан «/^»
SC^JT^/J?
2006 г.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направить по адресу:
302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69, ОрелГАУ, ученому секретарю
диссертационного совета КМ 220.052.01 Т.Ф. Макеевой.
Ученый секретарь диссертационного совета
^.
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент фЛ-Ш/яс&^З.Ф.
Макеева
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
имени К.А. Тимирязева
ЦНВ имени Н.И. Железное*
Фонд научный литературы
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Почвенный покров представляет собой
своеобразный «экран жизни» на нашей планете, подобный озоновому
экрану. Поэтому особенно опасно глобальное загрязнение почвы ста­
бильными, токсичными компонентами, такими как тяжелые металлы
(ТМ). Сохранить почву в нативном состоянии в современных условиях
практически невозможно, так как вся поверхность земного шара в той
или иной мере подвержена воздействию антропогенных продуктов. Сле­
довательно, вопрос состоит не в том, чтобы иметь чистую почву, а в том,
чтобы уровни содержания тяжелых металлов находились в почвах сель­
скохозяйственного использования в количествах, не приводящих к нега­
тивным последствиям.
До настоящего времени еще недостаточно изучен химизм транс­
формации тяжелых металлов в системе почва - растение, но данная про­
блема является актуальной для аграрной Орловской области. Хотя об­
ласть не входит в перечень регионов с неблагоприятной экологической
обстановкой, однако содержание наиболее токсичных тяжелых металлов
в почве превышает фоновую концентрацию в среднем в 2-4,5 раза.
Цель и задачи исследований. Целью работы является изучение
особенностей аккумуляции тяжелых металлов (меди и свинца) сельскохо­
зяйственными растениями в зависимости от биоэкологических свойств
растительных видов и биохимических свойств самих токсикантов.
В соответствии с поставленной целью программой исследований
предусматривалось решение следующих задач:
• выявление взаимосвязи между содержанием подвижных форм тяжелых
металлов (меди и свинца) в почве и растительной продукции;
• проведение корреляционного анализа для прогнозирования уровня за­
грязнения сельскохозяйственной продукции;
• изучение биоэкологических свойств исследуемых видов сельскохозяй­
ственных растений (лука репчатого, свеклы столовой, капусты белоко­
чанной), определяющих фитоаккумуляцию тяжелых металлов;
• выявление критических уровней содержания тяжелых металлов в почве
с учетом возделывания различных видов сельскохозяйственных культур
для предотвращения негативного воздействия токсикантов на человека;
• изучение влияния тяжелых металлов на урожай сельскохозяйственной
продукции;
• установление возможности применения извести и органических удоб­
рений в качестве мелиорантов загрязненных медью и свинцом почв.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
Научная новизна. В работе впервые проведено комплексное ис­
следование различных аспектов поведения меди и свинца в системе поч­
ва-растение: установлена связь между содержанием подвижных соедине­
ний тяжелых металлов в почве и накоплением их в сельскохозяйственных
культурах, выраженная в виде линейной зависимости, позволяющей с
высокой математической точностью предсказывать поступление загряз­
нителей в растения; выявлены особенности накопления меди и свинца
различными видами растений; определены критические уровни содержа­
ния тяжелых металлов в почве, направленные на получение с техногенно
загрязненной почвы гигиенически удовлетворительной продукции.
Практическая значимость. Выводы, сделанные по результатам
исследования, и математические модели, описывающие процессы посту­
пления тяжелых металлов из почвы в сельскохозяйственные растения
позволяют определять изменения их состава с высокой точностью и мо­
гут быть использованы для прогнозирования и принятия решений по це­
лесообразности выращивания овощных культур в агроэкосистемах, рас­
положенных, в техногенно загрязненной зоне. Оценка эффективности
разных приемов снижения фитотоксичности загрязненных, почв может
служить основой для разработки рекомендаций по их мелиорации.
Апробация работы. Основные результаты исследований были
представлены на рассмотрение и обсуждены на научно-практической
конференции молодых ученых и аспирантов факультета агробизнеса и
экологии ОрелГАУ «Научные основы повышения эффективности сель­
скохозяйственного производства» (Орел - 2004); Международной науч­
но-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье
населения Центрального Черноземья» (Курск - 20Q5); Всероссийской
конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению
«Рациональное природопользование» (Ярославль - 20Q5).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ,
отражающих ее основное содержание.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве­
дения, четырех глав, выводов, предложений производству, списка цити­
руемой литературы и приложений. Работа содержит 144 страницы маши­
нописного текста, включает 24 таблицы, 27 рисунков. Список цитируе­
мой литературы включает 147 источников, в том числе 14 на иностран­
ных языках.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводились в СП «Шепино» ОАО «АгрофестОрел» Орловского района Орловской области в условиях вегетационнополевого микроделяночного опыта в 2004-2006 гг.
Климат района исследований умеренно континентальный, харак­
теризующийся значительными колебаниями температуры, относительной
влажности воздуха и неравномерностью распределения осадков, как в
течение года, так и по годам. За год выпадает 450-500мм осадков, из них
за вегетацию 250-280мм, сумма положительных температур выше 10°С
составляет 2200-2400°С, гидротермический коэффициент (ГТК) - 1,0-1,1,
период активной вегетации растений - 136-142 дня, безморозный период125-138 дней. Первые заморозки в воздухе начинаются осенью в первой
декаде сентября, заканчиваются в основном во второй декаде мая.
Погодные условия в годы проведения исследований отличались
от среднемноголетних. 2004 год (вегетационный период) характеризовал­
ся недостатком влаги — количество выпавших осадков составило 220,3мм,
что на 41мм ниже среднемноголетних значений; сумма активных темпе­
ратур за вегетацию практически соответствовала норме; ГТК - 1,15. Пе­
риод вегетации растений (май-август) в 2005 году был самым теплым
(сумма активных температур составила 2530°С), но количество осадков
выпало на 31мм меньше по сравнению со среднемноголетними значения­
ми, ГТК - 0,97. 2006 год был самым дождливым, особенно август месяц
(151,3мм, что в 2,2 раза больше среднемноголетних значений), темпера­
тура воздуха за вегетационный период также превысила среднемногрлетние значения, ГТК-1,73.
(
Почва - серая лесная среднесуглинистая, перед загадкой опыта в
пахотном горизонте характеризовалась следующими показателями:
рНка- 5,55; Н г - 2,3; ЕКО - 19,3 мг-экв/100 г почвы; V - 88,1%; содержа­
ние гумуса - 2,5%; подвижного фосфора - 5,2 мг; обменного .калия 14,5 мг на 100 г почвы. Содержание в почве валовых форм меди (Си) 13 мг/кг, свинца (РЬ) - 7,5 мг/кг почвы; обменнопоглощенных форм тяже­
лых металлов - соответственно 0,6 и 3,4 мг/кг.
Для решения вопроса, какое содержание тяжелых металлов, мож­
но «допустить» в почвах сельскохозяйственного использования, в экспе­
рименте искусственно были созданы условия, наиболее контрастно про­
являющие негативные последствия загрязнения корнеобитаемого слоя на
выполнение почвой биогеоценотических функций и влияющие на эле­
ментный состав выращиваемых на ней растений. В связи с этим в опыте в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
почву вводили растворы солей тяжелых металлов: C11SO4 (39,82% Си),
РЬ(СН3СОО)2*ЗН20 (54,64% РЬ) в дозах 1; 3; 6 ПДК, что соответствовало
Си - 3,0; 9,0; 18,0 мг/кг почвы; РЬ - 6,0; 12,0; 36,0 мг/кг почвы (ГН
2.1.7.2041-06). В качестве загрязняющих веществ были выбраны медь и
свинец, как приоритетные загрязнители почвы,' поступающие в нее с
удобрениями (органическими и фосфорными), фунгицидами и с другими
источниками выбросов.
Объектами исследований являлись овощные культуры: лук реп­
чатый сорта Стригуновский, капуста белокочанная сорта Колобок, свекла
столовая сорта Бордо.
В микрополевом опыте также изучалось эффективность снижения
транслокации тяжелых металлов в овощные культуры при применении
таких приемов детоксикации как внесение органического удобрения
(торфонавозного компоста) в дозе 100 т/га и проведение известкования
почвы (известь вносили в дозе, рассчитанной по гидролитической ки­
слотности - 3,5 т/га). Концентрация валовых форм меди в извести 51 мг/кг, в торфо-навозном компосте - 28 мг/кг; концентрация свинца соответственно 1,0 мг/кг и 0,4 мг/кг.
В воздушно-сухих образцах почвы проводили анализ основных
показателей по следующим общепринятым методикам: рН (ГОСТ
26483-85) - потенциометрически, гидролитическую кислотность (ГОСТ
26212-91) по методу Каппена, подвижные формы фосфора и калия (ГОСТ
26207-91) определяли в вытяжке Кирсанова, сумму поглощенных осно­
ваний (ГОСТ 26487-85) по Каппену-Гильковицу, содержание органиче­
ского углерода (ГОСТ 26213-91) - колориметрически по методу Тюрина в
мох чфикации Никитина, состав гумуса методом Кононовой и Бельчиковой. Биологическую активность почв изучали прямым методом по количест енному учету микроорганизмов и косвенным — по разложению
льня. ого полотна. Определение валового содержания тяжелых металлов
пров1 ;или методом кислотной варки в концентрированной НЫОз с добавле хем 30 % Н2О2, обменнопоглощенных форм тяжелых металлов - в
вытяж..^ 1М ацетат-аммонийного буферного раствора с рН 4,8 (РД
52.18.191-89; Методические указания, 1992, 1993).
Содержание ионов меди и свинца в растительных образцах опре­
деляли после озоления концентрированной НЫОз с 30 % Н2Ог. Концен­
трацию тяжелых металлов во всех объектах измеряли на жидкостном
хроматографе «Милихром-б». За растениями вели биометрические на­
блюдения. После уборки определяли весовым методом урожайность.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
Математическую обработку результатов исследований проводили
методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализа
(Доспехов, 1985) на ПЭВМ с использованием пакета прикладных про­
грамм для статистической обработки «Statistica».
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Аккумуляция тяжелых металлов растениями. Анализ резуль­
татов исследований (табл. 1) позволяет утверждать, что химический со­
став растений, влияющий на гигиеническое качество сельскохозяйствен­
ной продукции, зависит от состава почв, на которых произрастают расте­
ния, но не повторяет его в связи с избирательностью поглощения расте­
ниями необходимых им элементов в соответствии с биоэкологическими
потребностями, а также биохимическими свойствами самих поллютантов.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в почве и в исследуемых растениях
по вариантам опыта (2004-2006 гг.)
Содер­
жание в
почве
Ме­
ТМ,
талл
мг/кг
0,6
кон­
троль 0,2 ПДК
М
3,1
Е
1
1ПДК
д
9,2
2
ЗПДК
ь
17,8
3
6 ПДК
3,0
пдк
3,4
кон­
с троль 0,6 ПДК
в
6,4
I
и
1ПДК
н
17,8
2
Е
ЗПДК
Ц
35,0
3
6 ПДК
6,0
пдк
Ва­
ри­
ант
Среднее содержание ТМ в растениях
лука
капусты
свеклы
белокочанной
репчатого
столовой
мг/кг
КБП
мг/кг
мг/кг
КБП
КБП
2,34
6,68
4,61
7,68
11,13
3,90
0,5 ПДК
0,7 ПДК
0,2 ПДК
10,85
7,91
4,12
3,50
2,55
1,33
0,8 ПДК
0,4 ПДК
1,1 ПДК
27,98
11,70
8,59
3,04
1,27
0,93
0,9 ПДК
2,8 ПДК
1,2 ПДК
48,68
19,16
15,73
2,73
1,08
0,88
4,9 ПДК
1,6 ПДК
1,9 ПДК
10,0
10,0
10,0
0,34
0,30
0,16
0,10
0,09
0,05
0,7 ПДК
0,6 ПДК
0,3 ПДК
0,64
0,22
0,43
0,10
0,03
0,07
0,4 ПДК
1,3 ПДК
0,9 ПДК
1,63
0,72
0,45
0,09
0,04
0,02
1,4 ПДК
0,9 ПДК
3,3 ПДК
3,07
1,36
0,84
0,04
0,02
0,09
6,1 ПДК
2,7 ПДК
1,7 ПДК
0,5
0,5
0,5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Ряды биологического поглощения тяжелых металлов свидетель­
ствуют о том, что в исследуемых биообъектах наиболее интенсивно нака­
пливается биофильный элемент - медь: коэффициент биологического
поглощения (КБП), равный отношению содержания элемента в золе рас­
тений к содержанию этого же элемента в питательной среде почвы, для
меди на несколько порядков выше по сравнению с поглощением свинца и
составляет в среднем 4,15 для растений лука; 3,99 - для свеклы столовой;
1,77 - для капусты. Интенсивность вовлечения свинца в биохимические
циклы миграции, для сравнения, составляет соответственно 0,09; 0,06;
0,03. Представленная закономерность связана с тем, что свинец, являясь
типичным антропогенным металлом, поглощается растительными орга­
низмами пассивно и к тому же обладает большими комплексообразующими способностями, переводящими его в недоступное для растений со­
стояние. Таким образом, свинец можно отнести к группе слабого и
очень слабого захвата; медь - к классу энергично накапливаемых эле­
ментов.
Сопоставление результатов анализа растений лука, свеклы столо­
вой и капусты, выросших на загрязненных тяжелыми металлами почвах,
показывает, что содержание ионов-загрязнителей в исследуемых расте­
ниях подвержено значительным колебаниям и зависит не только от коли­
чества и биохимических свойств токсикантов в почвах, но и от способно­
стей растений к накоплению. Эти различия очень велики: при почти оди­
наковом содержании в почве меди, равном 1 ПДК, лук содержал меди
10,85 мг/кг, свекла столовая - 7,91 мг/кг, капуста-4,12 мг/кг сухой массы
растения; при загрязнении почвы ионами свинца в концентрации 1 ПДК,
содержание данного поллютанта в луке составило 0,64 мг/кг; в свекле
столовой - 0,43 мг/кг; в капусте - 0,22 мг/кг сухой массы. Таким образом,
полученные результаты позволяют исследуемые растения разделить по
типу поглощения химических элементов (металлов) на безбарьерные и
барьерные.
Содержание ионов-загрязнителей в золе растений безбарьерного
типа относительно тяжелых металлов подчиняется следующей зависимо­
сти: при увеличении содержания металлов в почве концентрация токси­
кантов в золе растений лука возрастает практически пропорционально его
содержанию в почве. В барьерных растениях (свекла столовая и капуста)
поглощение токсичных элементов ослабевает в 2-3 раза, несмотря на уве­
личение их содержания в почве.
Полученные в исследованиях зависимости между содержанием
подвижных соединений меди и свинца в почве и количеством токсикан-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
тов в растениях приближены к линейным, что позволило получить матема­
тическое выражение этих закономерностей, выраженное в виде уравне­
ния, прогнозирующего поступление тяжелых металлов из почвы в расте­
ния:
- для лука репчатого: Си у=2,58х+3,58, г2=0,997, станд. откл. 0,844;
РЬ у=0,09х+0,02, г2=0,999, станд. откл. 0,050.
- для свеклы столовой: Си у=0,73х+5,76, г2=0,995, станд. откл. 0,711;
РЬ у=0,03х+0,19, г2=0,997, станд. откл. 0,060.
- для капусты белокочанной: Сиу=0,78х+1,72, г2=0,999, станд. откл. 0,257;
РЬ у=0,02х+0,08, г2=0,999, станд. откл. 0,042,
где х - содержание подвижных форм ТМ в почве; у — содержание ТМ в
растениях.
Анализируя результаты исследований, обобщенные на рис. 1,
можно сделать вывод, что из всех исследуемых овощных культур капуста
обладает наименьшими металлоаккумулирующими способностями. Кри­
тические концентрации токсичности тяжелых металлов для капусты 10,6 мг/кг меди или 3,5 ПДК; 21,0 мг/кг свинца или 3,5 ПДК. Промежу­
точное положение по устойчивости к тяжелым металлам занимает свекла
столовая, для которой накопление поллготантов в концентрациях опасных
для здоровья человека начинается при содержании меди в почве 5,8 мг/кг
(1,9 ПДК); свинца - 10,3 мг/кг (1,7 ПДК). Очень слабой устойчивостью к
накоплению тяжелых металлов обладает лук, так как содержание меди и
свинца в почве ниже 1 ПДК уже приводит к токсическому накоплению
ионов-загрязнителей в поедаемой части растения.
о -I
1
1
1
1
1
1
1
о.о -I
1
Содержание Си в почве, ПДК
—*—лук
—•—свекла столовая
1
1
1
*
Содержание Ро в почве, ПДК
'
капуста
- • • - - - П Д К ТМ для овощей
Рис. 1 Накопление ТМ растениями в зависимости от их содержания в почве
(2004-2006 гг.)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Следовательно, если при выращивании сельскохозяйственных
культур на почве, содержащей тяжелые металлы, их концентрация в рас­
тениях в фазу технической спелости меньше ПДК, установленной для
продуктов питания, то такую почву можно считать условно безопасной, а
содержание металлов в ней будет характеризовать уровень, не достигший
предельного значения. Такой подход к предельно допустимым концен­
трациям направлен на получение с загрязненных почв гигиенически
безопасной продукции.
Биоэкологические особенности сельскохозяйственных куль­
тур, определяющие переход тяжелых металлов из почвы в растения.
Для раскрытия особенностей процесса поглощения тяжелых металлов
(меди и свинца) из пахотного слоя почвы и накопления их в различных
органах культурных растений нами определены следующие взаимозави­
симости:
1) Установлено, что между минимальной температурой прораста­
ния семян в почве, с одной стороны, и аккумуляцией тяжелых металлов
соответствующими видами растений, с другой стороны, как это видно из
рис. 2, существует обратная зависимость - чем ниже температура прорас­
тания семян, тем активнее это растение накапливает тяжелые металлы.
лук
свекла
капуста
3 Содержание ТМ в растениях
лук
—•—
Мин
свекла
капуста
- """Р» прорастания семян
Рис. 2 Зависимость между накоплением ТМ в фитомассе и минимальной
температурой прорастания семян растений (1 вариант опыта - содержание
ТМ в почве равно 1 ПДК) (2004-2006 гг.)
Объяснением выше сформулированного положения является то
обстоятельство, что виды растений с низкими температурами прораста­
ния семян обладают толерантностью к холодному климату,-в котором,
как известно, формируются кислые почвы с повышенным содержанием
доступных для растений подвижных форм тяжелых металлов. Таким об­
разом, лук, накапливающий в своей фитомассе наибольшее количество
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
тяжелых металлов, обладает одновременно повышенной толерантностью к
весенним заморозкам.
2) В связи с профильным распределением тяжелых металлов в
почве (по данным, представленным на рис. 3, содержание подвижных
форм токсикантов с глубиной снижается) отмечается обратная зависи­
мость между глубиной проникновения корневой системы и накоплением
фитомассой растений тяжелых металлов.
1
1
_|J3.0
°ш
31"
Соаеожаш
• содержание Си в почве
• содержание РЬ в почве
Рис. 3 Профильное распределение подвижных форм ТМ в почве
(1 вариант опыта) (2004-2006 г.)
Й12-Г-,
X 4
лук
свекла
капуста
• Содержание ТМ в растениях
лук
свекла
капуста
- Глубина проникновения корней
Рис. 4 Зависимость между накоплением ТМ в фитомассе и глубиной
проникновения корневой системы растений (1 вариант опыта) (2004-2006 гг.)
Таким образом, в фитомассе лука накапливается больше тяжелых
металлов (рис. 4) в связи с формированием растением поверхностной
корневой системы способной за счет разветвления извлекать из неболь­
шого объема наиболее загрязненного пласта почвы максимальное количе­
ство воды и минеральных элементов (в том числе и тяжелых металлов).
3) Существует определенная зависимость между накоплением тя­
желых металлов в фитомассе и водопотреблением у различных видов рас­
тений. Медь и свинец образуют в почве прочные комплексные соедине­
ния (хелаты), которые обладают малой подвижностью и растворимостью,
поэтому поглощение данных тяжелых металлов корнями растений осуще-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
ствляется не параллельно с усвоением воды, а за счет сложнейших био­
химических процессов с тратой большого количества энергии.
"50СП- 600 4
X
*
0 64мг/кг
Of,,
ft
¥о.ч
я
#
,*
0.22мг/кг -. 200 5
00
0.2 J
0 -
лук
• Л.
лук
свекла
капуста
- Транспирационный коэффициент
свекла
капуста
D Содержанке ТМ в растениях
Рис. 5 Зависимость между накоплением ТМ в фитомассе и транспирацион­
ный коэффициентом растений (1 вариант опыта) (2004-2006 гг.)
Как видно на примере (рис. 5), кумуляция меди и свинца коррели­
рует с поглощением воды растениями: наименьшая металлоаккумулирующая способность капусты обратно пропорциональна величине транспирационного коэффициента, равному 600, наибольшему из исследуемых
растений.
4) Выявлена отрицательная корреляция между объемом основной
продукции у исследуемых видов растений и накоплением в их фитомассе
тяжелых металлов (рис. 6). Данное явление связано, с «эффектом разбав­
ления», который заключается в том, что перед началом активного роста
растение предварительно накапливает необходимые элементы (поступают
и тяжелые металлы), а в последующем использует их на формирующуюся
фитомассу; концентрация элементов при этом снижается в расчете на еди­
ницу массы.
450|[
Урожай ноет
у 1 2 т-трДГмгУкГ
0
лук
свекла
капуста
• Содержание ТМ в растениях
1-1
г 450 Е
г 1
Г"
о -1
.<0,64мг/кг
i
Ги/га
i
/<\1Яи1п
0,
• зоо 1
ИИ ( > и / п > 0.22мгУхг •
: •С
•"•"•
лук
свекла
п
—'
са
1
150^
'—V о
капуста
——-Ур ожаС ность
Рис. 6 Зависимость между накоплением ТМ в фитомассе и урожайностью
растений (1 вариант опыта) (2004-2006 гг.)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
Следовательно, выращивая растения на загрязненных почвах, не­
обходимо стремиться к созданию оптимальных условий для роста. Тогда
продукция с этих полей по удельному содержанию вредных элементов
будет сопоставима с контрольной, полученной на чистых почвах, как, на­
пример, урожайность капусты 420 ц/га объясняет наименьшие металлоаккумуляционные способности данного растения.
Кроме того, сравнительный анализ содержания тяжелых металлов
в растениях в различные фазы развития показывает, что чувствительность
растений к экстремальным воздействиям особенно высока в раннем воз­
расте, когда сорбционная емкость протоплазмы еще не велика. Растения в
указанный период онтогенеза накапливают в среднем в 1,5-2 раза больше
ионов-загрязнителей, чем на момент уборки урожая. Таким образом,
можно подытожить выше сказанное: тяжелые металлы, наиболее интен­
сивно поглощенные луком в первые фазы онтогенеза, не успевают «раз­
бавиться» за короткий период развития растения и к тому же объем ос­
новной продукции является наименьшим из всех исследуемых культур.
Поступлению тяжелых металлов в растения препятствуют физио­
логические барьеры. Растительные организмы способны поддерживать в
метаболических пулах необходимые концентрации химических элемен­
тов, обеспечивая тем самым воспроизводительную функцию и начальные
благоприятные условия для развития следующего поколения. Экспери­
ментальными данными доказано, что тяжелые металлы в больших коли­
чествах содержатся в корнях растений, затем идут стебли и листья и, на­
конец, семена, корнеплоды (рис.7).
# •
Cu-S.I3urfer
Fb-0.5iinter
,,; .;.•• W -
V.
Си-]2.5мг/«г
Pb-2.0ur/icr
./
Ъ1
/
Си-26.2мг/кг
РЬ-1.7МГ/1ЕГ
ч
Си-27..Чиг/кг
РЬ-З.Омг/кг
]
Рис.7 Содержание ТМ в различных органах растений лука (1), свеклы
столовой (2), капусты (3) (2005-2006 гг.)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
Коэффициент биологического поглощения наглядно показывает,
что элемент-биофил медь больше накапливается в листьях (КБПлу1( - 3,5;
КБПсккла - 1,9), а свинец - в корнях (КЕП^ - 0,2; КБПсвекла - 0,07). В ка­
пусте - корневая система является концентратором тяжелых металлов,
затем в убывающем порядке следует стебель и замыкает этот ряд листья.
Таким образом, будучи защищенными от поступления избытка тяжелых
металлов (в пределах определенного диапазона их концентраций в почве),
органы запасания ассимилянтов (именно они являются основной целью
возделывания большинства сельскохозяйственных культур) в наибольшей
мере гарантируют сохранение гигиенической чистоты продуктов расте­
ниеводства.
Таким образом, значительные различия в способности сельскохо­
зяйственных культур к накоплению тяжелых металлов позволяют рас­
сматривать возможность использования определенных видов растений
(например, капусты) на загрязненных почвах с целью получения норма­
тивной продукции (содержание тяжелых металлов в которой отвечает са­
нитарно-гигиеническим нормативам).
Влияние тяжелых металлов на экологические функции почв.
Помимо прямого влияния токсикантов, связанного с накоплением тяже­
лых металлов непосредственно в растении, соли тяжелых металлов также
уменьшают устойчивость почв к загрязнению (подкисляют почвенный
раствор, ингибирует ферментативную и микробиологическую активность,
что ведет к уменьшению накопления гумуса, снижению комплексообразующей способности органического вещества (Сгк/СфК)) - это является
косвенным фактором негативного воздействия поллютантов на растения.
Таблица 2
Влияние ТМ на агрохимические свойства серой лесной почвы (2006 г.)
Фракционно-групповой состав гумуса почвы
Собт
Сгк
С«к
СГК/СФК
Вариант
рН|СС|
1
2
3
Контроль '•
1 ПДК (Си)
3 ПДК (Си)
6 ПДК (Си)
НСРс,
1 ПДК (РЬ)
ЗПДК(РЬ)
6 ПДК (РЬ)
.•5,55
5,55
5,52
5,38
0,15
5,55
5,48
5,30
0,15
2,5
2,5
2,4
2,3
НСР о 1
FT>F({>
2,5
2,4
2,2
FT>F<|>
ЕКО,
мт-экв./100г
% от почвы
4
5
6
7
0,70
0,85
0,60
0,55
0,15
0,75
0,55
0,40
0,15
0,55 '
0,50
0,60
0,60
0,15
0,50
0.65
0,70
0,15
1,3
1,7
1,0
0,9
0,3
1,5
0,8
0,6
0,2
19,3
19,3
19,0
18,7
0,4
19,2
18,8
18,6
0,4
J
'
"
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
Таким образом, используя полученные новые результаты иссле­
дований, определяющие переход токсикантов из почвы в растения, урав­
нения регрессии будут иметь следующий вид:
- для лука репчатого:
Си y=2,69xi+l 8,08х2-1,54хз-95,29, г2=0,999, станд. откл. 0,399;
РЬ у=0,07х, -1,46x2-0,02x3+8,31, г2=0,997, станд. откл. 0,131.
- для свеклы столовой:
Си у=0,55х,-18,98х2-0,06х3+111,67, г2=0,999, станд. откл. 0,388;
РЬ у=0,02хг1,47х2+0,14хз+8,21, г2=0,999, станд. откл. 0,130.
- для капусты белокочанной:
Си у=0,72х1-6,65х2+0,07хз+38,68, г2=0,999, станд. откл. 0,154;
Pb y=0,0lxi-0,71x2+0,01хз+4,07, г2=0,999, станд. откл. 0,132,
где Xi - содержание подвижных форм ТМ в почве; Хг - рНКсь *з " QVCW;
у - содержание ТМ в растениях.
Приведенные ранее экспериментальные данные свидетельствуют
о наличии у растений механизма защиты от избытка тяжелых металлов,
поступающих из почвы. Однако при возрастании потока загрязнения при
одновременном ухудшении агрохимических показателей почвы защит­
ные возможности иссякают: тяжелые металлы начинают накапливаться в
метаболически важных центрах, тормозя и нарушая продукционный про­
цесс и как следствие, происходит снижение урожая.
Таблица 3
Влияние загрязнения почвы ТМ на урожайность растений (2004-2006 гг.)
Варианты
Ур-ть,
u/ra
Контроль
157
1ПДК
ЗПДК
6ПДК
HCPoi
138
124
118
17,8
Контроль
1 ПДК
ЗПДК
6 ПДК
НСР„|
157
130
118
105
21,3
ЛУК
Прибавка
±ц/га | %
СВЕКЛА СТОЛОВАЯ
Ур-ть,
Прибавка
u/ra
±ц/га | %
МЕДЬ
200
214
-19 -)2,1
182
-33 -21,0
179
-39 -24,8
11,5
СВИНЕЦ
200
212
-27 -17,2
185
-39 -24,8
175
-52 -33,1
11.2
+14
-18
-21
+7,0
-9,0
-10,5
+ 12 +6,0
-15 -7,5
-25 -12,5
КАПУСТА
Ур-ть,
Прибавка
ц/га
±u/ra | %
420
450
410
382
31,4
420
427
417
397
22.8
+30
-10
-38
+7,1
-2,4
-9,0
+7
-3
-23
+ 1.7
-0,7
-5,5
При содержании в почве тяжелых металлов в количестве 1 ПДК
наблюдается стимулирование роста растений (табл. 3), выраженное в
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
прибавке урожая свеклы столовой на 12 и 14 ц/га, капусты - на 7 и
30 ц/га, то есть налицо так называемый тренирующий эффект или стиму­
лирующая интоксикация организма под действием микродоз ядовитых
веществ. Это может быть следствием усиления биологической активно­
сти почвы, выявленной по повышению активности целлюлозолитических
ферментов.
Угнетающее влияние тяжелых металлов на процессы метаболиз­
ма начинается при их концентрации в растительной массе, вызывающей
настороженность с гигиенической точки зрения, то есть превышающей
ПДК. Снижение урожая лука на 19 ц/га наблюдалось при содержании
меди в почве равном 1 ПДК, концентрация данного токсиканта в расти­
тельной ткани при этом составила 10,8 мг/кг. Сопоставляя эти данные с
гигиеническими нормами, можно сделать вывод, что недобор урожая лу­
ка свидетельствует о накоплении токсичной концентрации ионовзагрязнителей в растении и, как следствие, потребление такого урожая
становится опасным для человека. Такая же закономерность наблюдалась
и при возделывании лука на почве, загрязненной ионами свинца, только в
связи с большей токсичностью поллютанта обнаружилось более значи­
тельное падение урожая — на 27 ц/га.
Подобная закономерность прослеживалась и в опытах с другими
культурами: снижение урожая свеклы столовой на 18 и 15 ц/га свидетель­
ствует о токсичной концентрации тяжелых металлов в почве, равной
3 ПДК, что приводит к накоплению поллютантов в растениях выше уста­
новленных ПДК; капуста характеризуется наименьшими металлоаккумулирующими способностями поэтому фитотоксичная концентрация тяже­
лых металлов, приводящая к статистически существенному снижению
урожайности на 38 и 23 ц/га, равна 6 ПДК.
Таким образом, чувствительность сельскохозяйственных культур
к избытку тяжелых металлов в почве, проявляющаяся в снижении уро­
жайности, является сигналом о накоплении растением поллютантов в
концентрациях опасных для здоровья человека.
Способы снижения транслокации тяжелых металлов из поч­
вы в растения. К рекомендуемым приемам детоксикации избытка тяже­
лых металлов в почве относятся внесение извести и применение органи­
ческих удобрений (рис. 8).
После внесения органического удобрения транслокация тяжелых
металлов из почвы в растения снизилась, о чем свидетельствует умень­
шение концентрации меди в растениях в среднем на 10,7-15,3%, свинца-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
на 9,1-12,5% по сравнению с сельскохозяйственными культурами, выра­
щенными на загрязненной почве без проведения мелиоративных приемов.
Эффективность снижения токсического действия тяжелых метал­
лов при нейтрализации кислой реакции почвенной среды оказалось выше,
чем обогащение почвы органическим веществом без изменения рН снижение в растениях концентрации меди на 18,9-29,9%; свинца - на
21,7-22,5%.
50'
| 2 , 5 -
i1 2 . 0
S
•i
i
*
I"
0.0
'n
i
i
? 1.5 J•1
1..0
i
и
i
i
i
!
!
,
i
|
ii
I
| i
i
lL_J.|iJ
ii .ILMlili
+
]
<
i-i|_ r
№
36ПДК
ПДК Си, РЬ для овощей
Рис. 8 Зависимость содержания ТМ в растениях от приемов детоксикаци: без
добавления мелиорантов (1), после внесения органического удобрения (2),
после проведения известкования (3) (2005-2006 гг.)
Критическая концентрация меди в почве после проведения ме­
лиоративного приема известкования составила: 1,5 ПДК для растений
лука (до применения данного приема детоксикацни - менее 1 ПДК);
3,5 ПДК для растений свеклы столовой (1,9 ПДК); 5 ПДК для капусты
(3,5 ПДК). Токсичная концентрация свинца в почве после проведения
известкования составила: 1,2 ПДК для растений лука (до применения
данного приема детоксикацни - менее 1 ПДК); 2,6 ПДК для растений
свеклы столовой (1,7 ПДК); 4 ПДК для капусты (3,5 ПДК).
Таким образом, нейтрализация кислотности почвы обеспечила
снижение транслокации токсикантов из почвы в растения и позволила
использовать в сельскохозяйственном обороте загрязненные почвы для
получения растительной продукции, удовлетворяющей санитарногигиеническим нормам.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
Определена экономическая эффективность проведения различных
приемов детоксикации тяжелых металлов на почве, вновь возвращенной в
сельскохозяйственный оборот. Получены следующие результаты: в луко­
вом севообороте при загрязнении почвы медью в концентрации 1 ПДК
уровень рентабельности проведения известкования составил 126,3%, что
на 25,6% больше по сравнению с вариантом без проведения мелиоратив­
ных приемов и на 15,0% - с вариантом с внесением органического удоб­
рения. В свекольном севообороте при загрязнении почвы медью в кон­
центрации 3 ПДК уровень рентабельности проведения известкования со­
ставил 130,2%, что на 15,6% больше по сравнению с вариантом без про­
ведения мелиоративных приемов и на 13,8% - по сравнению с вариантом
с внесением органического удобрения. На почве, загрязненной медью в
концентрации 6 ПДК, невозможно получить экономически обоснованный
урожай капусты белокочанной, соответствующий гигиеническим норма­
тивам.
Таким образом, при правильно выбранной технологии рекульти­
вации техногенно загрязненных почв можно достигнуть возвращения от­
дельных нарушенных земель в хозяйственную деятельность и получить
гигиенически приемлемый и экономически обоснованный урожай.
ВЫВОДЫ
1. Концентрация тяжелых металлов в растениях зависит от содержания
токсикантов в почве, на которой произрастают растительные организмы,
но не повторяет его в связи с избирательностью поглощения растениями
необходимых им элементов.
2. Зависимость концентрации тяжелых металлов в фитомассе растений
лука, свеклы столовой, капусты от содержания их в почве возрастает в
ряду Си > РЬ (КБПси в среднем составляет 3,3, а КБПрь - 0,06).
3. По интенсивности металлоаккумуляции тяжелых металлов овощные
культуры
располагаются
в
следующий
убывающий, ряд:
Лук > Свекла столовая > Капуста.
4. Определена корреляционная зависимость между количеством тяжелых
металлов в растениях и содержанием их подвижных соединений в почве
и ее агрохимическими характеристиками, позволяющая рассчитать урав­
нения регрессии.
5. Используя уравнения регрессии установлены критические концентра­
ции токсичности для исследуемых растений, подтвержденные экспери­
ментальными данными:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19
- для .безбарьерных растений - лука - токсичная концентрация меди в
почве равна 0,8 ПДК (2,5 мг/кг почвы), свинца - 0,9 ПДК (5,3 мг/кг);
, - для барьерных растений - свеклы столовой - токсичная концентрация
меди равна 1,9 ПДК (5,8 мг/кг почвы), свинца- 1,7 ПДК (10,3 мг/кг); для
капусты - токсичное содержание ионов-токсикантов в почве составляет
3,5 ПДК (концентрация Меди - 10,6 мг/кг, концентрация свинца 21,0 мг/кг).
*
6. Установлена взаимосвязь между распределением тяжелых металлов в
фитомассе исследуемых-овощных культур и их биоэкологическими осо­
бенностями:
- растительные виДы, характеризующиеся низкими температурами про­
растания семян/высокой толерантностью к весенним заморозкам накап­
ливают в своей фитомассе повышенное количество тяжелых металлов
(например, лук р'епчатый).
- растительные виды, характеризующиеся продолжительным периодом
вегетации, максимальным объемом основная продукция и набольшим
транспйрационным коэффициентом обладают наименьшими металлоаккумулирующими способностями (например,.капуста).
7. Общей закономерностью является снижение содержания исследуемых
металлов в запасающих органах по сравнению с вегетативными. Элементбиофил медь больше накапливается в листьях, максимальное содержание
типично антропогенного токсиканта свинца зафиксировано в корнях.
8. Снижение урожайности сельскохозяйственных культур начинается
при содержании тяжелых металлов в почве, приводящих к накоплению
растениями ионов-загрязнителей выше установленных ПДК: снижение
урожая лука на 19 и 27 ц/га свидетельствует о накоплении меди и свинца
в растении в концентрациях 1,1 и 1,3 ПДК соответственно (содержание
тяжелых металлов в почве равно 1 ПДК); недобор урожая свеклы столо­
вой на 18 и 15 ц/га свидетельствует о содержании меди в растении в кон­
центрациях равных 1,2 ПДК и свинца - 1,4 ПДК (экспериментально уста­
новленные критические концентрации токсикантов в почве - 3 ПДК); та
же закономерность прослеживается при выращивании капусты - стати­
стически значимое снижение урожайности (на 38 и 23 ц/га) наблюдается
при накоплении растением поллютантов в концентрации 1,6 и 1,7 ПДК,
что соответствует загрязнению почвы в 6 ПДК.
9.
Наиболее эффективным приемом детоксикации тяжелых металлов
является известкование. Внесение извести (3,5 т/га) на загрязненных тя­
желыми металлами почвах позволило снизить критическую концентра­
цию меди в почве для. лука до 1,5 ПДК, для свеклы столовой - до
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
3,5 ПДК, для капусты - до 5 ПДК. Подобные результаты получены и на
загрязненных свинцом почвах - содержание свинца менее 1,2 ПДК не
опасно для лука, 2,6 ПДК - для свеклы столовой, 4 ПДК - для капусты.
Кроме того, проведение известкования загрязненных тяжелыми металла­
ми почв является наиболее экономически оправданным приемом детоксикации по сравнению с внесением органического удобрения за счет наи­
большей прибавки урожая.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Выращивание свеклы столовой возможно при содержание в почве
меди в концентрации до 1,9 ПДК, свинца - до 1,7 ПДК; капусты - при содер­
жание токсикантов в почве до 3,5 ПДК.
При выращивание лука необходимо проводить постоянный монито­
ринг содержания ионов-загрязнителей в почве, так как концентрация меди и
свинца, равная 0,8 и 0,9 ПДК соответственно, может привести к накоплению
токсикантов в растении выше установленных гигиенических нормативов.
2. Для детоксикации тяжелых металлов (меди и свинца) в почве, ха­
рактеризующейся кислой и слабокислой реакцией почвенной среды, следует
вносить известь в дозе от 3,5 т/га.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Шарапова, Е.В. Накопление свинца различными видами овощных
культур / Е.В. Шаранова // Актуальные и новые направления сельскохозяйст­
венной науки: материалы 1-ой международной конференции молодых уче­
ных, аспирантов и студентов. - Владикавказ, 2004. - С. 257-259.
2. Шаранова, Е.В. Экологические аспекты трансформации соедине­
ний свинца и меди в почве и продукции растениеводства / Е.В. Шаранова,
А.Г. Гурин, Г.А. Игнатова, Н.К. Плешкова // Экология ЦЧО РФ. - Липецк,
2005.-№1(14).-С. 51-52.
3. Шаранова, Е.В. Зависимость аккумуляции тяжелых металлов от
биологических и экологических свойств растений / Е.В, Шаранова // Пробле­
мы землеустройства и кадастров: сборник научных статей ежегодной конфе­
ренции молодых ученых и специалистов. - М , 2005. - С. 310-315.
4. Шаранова, Е.В. Качество растениеводческой продукции при за­
грязнении почв тяжелыми металлами / Е.В. Шаранова // Экология, окружаю­
щая среда и здоровье населения Центрального Черноземья: материалы меж­
дународной научно-практической конференции. В 2-х частях. Часть 1. —
Курск, 2005. - С. 277-279.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21
5. Шаранова, Е.В. Трансформация тяжелых металлов в системе поч­
ва-растение / Е.В. Шаранова // Научные основы повышения эффективности
сельскохозяйственного производства: Материалы научно-практической конфе­
ренции молодых ученых и аспирантов факультета агробизнеса и экологии. —
Орел, 2005.-С. 210-213.
6. Шаранова, Е.В. Экологические аспекты трансформации соедине­
ний свинца и меди в почве и растениях / Е.В. Шаранова // Рациональное при­
родопользование: материалы Всероссийской конференции аспирантов и сту­
дентов по приоритетному направлению. - Ярославль, 2005. — С. 231-237.
7. Гурин, А.Г. Экологические аспекты трансформации соединений
свинца и меди в почве и растениях / А.Г. Гурин, Е.В. Шаранова // Вестник
ОрелГАУ. - Орел, 2006. - № 2-3. - С. 80-86.
8. Гурин, А.Г. Эффективность приемов детоксикации тяжелых ме­
таллов на почвах, загрязненных свинцом / А.Г. Гурин, Е.В. Шаранова // Регу­
ляция продукционного процесса сельскохозяйственных растений: материалы
научно-практической конференции (в 2 частях, ч. 1). - Орел, 2006. — С. 208-211.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Издательство ОрелГАУ, 2006, Орел, Бульвар Победы, 19.
Заказ 15/4. Тираж 100 экз.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
567 Кб
Теги
свинца, система, металлов, соединений, аспекты, почва, растения, медиа, тяжелый, 3000, трансформация, экологической
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа