RUDN Journal of Ecology and Life Safety

Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности

2313-23102408-8919

Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)

22108

10.22363/2313-2310-2019-27-1-39-50

Ecology

Экология

Research Article

Comparative analysis of heavy metals accumulation in the soil - plant system by the geo-accumulation index and transpiration rate of Zea mays L

Сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в системе «почва - растение» по индексу геоаккумуляции и коэффициенту транспирации Zea mays L

Sukiasyan

Astghik Rafikovna

Сукиасян

Астгик Рафиковна

Candidate of Biological Science, Assistant Professor of Faculty of Chemical Technology and Environmental Engineering

кандидат биологических наук, доцент факультета химических технологий и природоохранной инженерии

sukiasyan.astghik@gmail.com

National Polytechnic University of ArmeniaНациональный политехнический университет Армении

15122019

271

VOL 27, NO1 (2019)

ТОМ 27, №1 (2019)

395015112019

2019

Sukiasyan A.R.

Сукиасян А.Р.

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0

https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/22108

The aim of work is the assessment of the effect of water deficiency in the soil, taking into account the characteristics of the migration of heavy metals in the soil - plant system using the example of mays ( Zea mays L . ). The samples studied grew in the coastal areas of the Debet, Shnogh and Araks rivers. The selection of plant material was carried out during the growing season at the test sites in clear dry weather. The analysis of the coastal soil and annual plant on the content of Mn, Cu, Co, Zn, Mo was performed using the “Thermo Scientific Niton XRF Portable Analyzer”. According of obtained results the coefficient of the geo-accumulation index was calculated, identifying the main migration characteristics of heavy metals in the soil - plant system. Drought tolerance was identified at the seedling stage by changing the growing conditions by changing of watering of the plot. Calculation of the intensity of transpiration revealed changes in the water balance in plants depending on the soil and climatic growing conditions. According to the obtained results, it is noted that with an increase in the geo-accumulation index of heavy metals in the soil, the plant shows a significant decrease in the intensity of transpiration. Thus, in the course of the experiments, it was established that samples of corn from the arid region of Hushakert had a low level of transpiration, compared with samples from the moderately humid region of Shnogh. Combining the results on the content of heavy metals in corn kernels with the intensity of transpiration made it possible to investigate the correlation between the cumulative ability of the studied chemical elements and the regulation of water balance in the plant in response to drought. Among the main factors contributing to the increase in the migration of heavy metals is the content of potassium and calcium in the plant sample.

Целью работы являлась оценка влияния дефицита воды в почве с учетом особенностей миграции тяжелых металлов в системе «почва - растение» на примере сахарной кукурузы ( Zea mays L.). Исследуемые образцы произрастали на прибрежных территориях рек Дебет, Шнох и Аракс. Отбор растительного материала осуществлялся в течение вегетационного периода на опытных площадках в ясную сухую погоду. Выполнен анализ прибрежной почвы и однолетнего растения по содержанию Mn, Cu, Co, Zn, Mo с помощью Thermo Scientific Niton XRF Portable Analyser. На основании полученных результатов рассчитан коэффициент индекса геоаккумуляции, выявляющий основные миграционные характеристики тяжелых металлов в системе «почва - растение». Толерантность к засухе идентифицирована на стадии рассады путем изменения условий произрастания посредством изменения режима полива контрольных вазонов. Расчет интенсивности транспирации показал изменения водного баланса у растений в зависимости от почвенно-климатических условий произрастания. На основе полученных результатов отмечено, что при повышении значения индекса геоаккумуляции тяжелых металлов в почве у растения наблюдается значительное снижение интенсивности транспирации. Так, в ходе экспериментов установлено, что образцы кукурузы из засушливого региона Ушакерта имели низкий уровень транспирации, по сравнению с образцами из умеренно-влажного региона Шноха. Объединение данных о содержании тяжелых металлов в зернах кукурузы с интенсивностью транспирации позволило исследовать корреляцию между накопительной способностью исследуемых химических элементов и регуляцией водного баланса в растении в ответ на засуху. Среди основных факторов, способствующих повышению миграции тяжелых металлов, можно выделить содержание калия и кальция в растительном образце.

plantheavy metalsgeo-accumulation indextranspiration intensitydrought

растениетяжелые металлыиндекс геоаккумуляцииинтенсивность транспирациизасуха

Ubwa ST, Atoo GH, Offem JO, Abah J, Asemave K. Effect of activities at the Gboko abattoir on some physical properties and heavy metals levels of surrounding soil. Int. J. Chem. 2013;5: 47–57.

Ubwa S.T., Atoo G.H., Offem J.O., Abah J., Asemave K. Effect of activities at the Gboko abattoir on some physical properties and heavy metals levels of surrounding soil // Int. J. Chem. 2013. Vol. 5. Pp. 47–57.

Sharma MC, Baxi S, Sharma KK, Singh M, Patel S. Heavy metal ions levels and related physicochemical parameters in soils in the vicinity of a paper industry location in Nahan area of Himachal Pradesh. Environ. Anal. Toxicol. 2014;4: 10.4172/2161– 0525.1000236.

Sharma M.C., Baxi S., Sharma K.K., Singh M., Patel S. Heavy metal ions levels and related physicochemical parameters in soils in the vicinity of a paper industry location in Nahan area of Himachal Pradesh // Environ. Anal. Toxicol. 2014. Vol. 4. 10.4172/2161–0525.1000236.

UNEP. The State of the Marine Environment: A regional assessment. Global Programme of Action for the Protection of the Marine Environment from Land-based Activities, United Nations Environment Programme. The Hague, The Netherlands; 2006.

The State of the Marine Environment: A regional assessment. Global Programme of Action for the Protection of the Marine Environment from Land-based Activities, United Nations Environment Programme / UNEP. The Hague, The Netherlands, 2006.

Seaward MRD. The use of lichens for environmental impact assessment. Symbiosis. 2004;37: 293–305.

Seaward M.R.D. The use of lichens for environmental impact assessment // Symbiosis. 2004. Vol. 37. Pp. 293–305.

Wong SC, Li XD, Zhang G, Qi SH, Min YS. Heavy metals in agricultural soils of the Pearl River Delta, South China. Environ Pollution. 2002;119: 33–44.

Wong S.C., Li X.D., Zhang G., Qi S.H., Min Y.S. Heavy metals in agricultural soils of the Pearl River Delta, South China // Environ Pollution. 2002. Vol. 119. Pp. 33–44.

Vwioko DE, Nliefo GO, Fashemi SD. Metal concentration in plant tissues of Ricinus communis L. (Castor oil) grown in soil contaminated with spent lubricating soil. J. Applied Environ. Manage. 2006;10: 127–134.

Vwioko D.E., Nliefo G.O., Fashemi S.D. Metal concentration in plant tissues of Ricinus communis L. (Castor oil) grown in soil contaminated with spent lubricating soil // J. Applied Environ. Manage. 2006. Vol. 10. Pp. 127–134.

Barceló J, Poschenrieder CH. Plant water relations as affected by heavy metal stress: a review. J. Plant Nutr. 1990;13: 1–37.

Barceló J., Poschenrieder C.H. Plant water relations as affected by heavy metal stress: a review // J. Plant Nutr. 1990. Vol. 13. Pp. 1–37.

Titov AF, Talanova VV, Kaznina NM, Laydinen GF. Ustoychivost' rasteniy k tyazhelym metallam [Plant resistance to heavy metals]. Petrozavodsk: Karel'skiy nauchnyy tsentr RAN Publ.; 2007.

Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам / под ред. Н.Н. Немова; Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. 172 с.

Titov AF, Kaznina NM, Talanova VV. Tyazhelyye metally i rasteniya [Heavy metals and plants]. Petrozavodsk: Karel'skiy nauchnyy tsentr RAN Publ.; 2014.

Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.

10.

Sukiasyan AR. Antioxidant capacity of maize corn under drought stress from the different zones of growing. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering. 2016;10(8): 413–416.

Sukiasyan A.R. Antioxidant capacity of maize corn under drought stress from the different zones of growing // International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering. 2016. Vol. 10. No. 8. Pp. 413–416.

11.

Unanyan SA. Agromonitoring ekosistemy tekhnogennykh zon Respubliki Armenii i razrabotka meropriyatiy po vosstanovleniyu plodorodiya pochv [Agromonitoring the ecosystem of technogenic zones of the Republic of Armenia and the development of measures to restore soil fertility] (Dissertation of Doctor of Agricultural Sciences). Yerevan; 2010.

Унанян С.А. Агромониторинг экосистемы техногенных зон Республики Армения и разработка мероприятий по восстановлению плодородия почв: афтореф. дис. … д-рa с.-х. наук. Ереван, 2010. 40 с.

12.

Förstner U, Müller G. Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in river sediments: geochemical background, man's influence and environmental impact. GeoJournal. 1981;5(5): 417–432.

Förstner U., Müller G. Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in river sediments: geochemical background, man's influence and environmental impact // GeoJournal. 1981. Vol. 5. No. 5. Pp. 417–432.

13.

Sukiasyan AR, Tadevosyan AV, Simonyan GS, Pirumyan GP. Vliyaniye abioticheskogo stressa na rost rasteniy [Impact of abiotic stress on growth of plant]. Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya. 2016;(7): 168–172.

Сукиасян А.Р., Тадевосян А.В., Симонян Г.С., Пирумян Г.П. Влияние абиотического стресса на рост растений // Успехи современного естествознания. 2016. № 7. С. 168–172.

14.

Shumova NA. Metodicheskiye podkhody k otsenke otnositel'noy ploshchadi list'yev rasteniy agrotsenozov [The methodical approaches to evaluation of the plants leaves’ cover relative area in agrocenoses]. Ekosistemy: ekologiya i dinamika. 2017;1(1): 74–92.

Шумова Н.А. Методические подходы к оценке относительной площади листьев растений агроценозов // Экосистемы: экология и динамика. 2017. Т. 1. № 1.С. 74–92.

15.

Kirakosyan AA, Sukiasyan AR. Ispol'zovaniye yazyka MATLAB v kachestve ekspressmetoda otsenki eksperimental'nykh rezul'tatov [Using MATLAB as an express method for evaluating experimental results]. Informatsionnyye tekhnologii: Materialy Mezhdunarodnaya molodezhnaya konferentsiya (Yerevan, 23–25 iyunya, 2005) [Information technology: Proceeding of International Conference (Yerevan, 23–25 June 2005)]. Yerevan; 2005. p. 34–37.

Киракосян А.А., Сукиасян А.Р. Использование языка MATLAB в качестве экспрессметода оценки экспериментальных результатов // Информационные технологии: сборник материалов Международной молодежной конференции (Ереван, 23–25 июня 2005 г.). Ереван, 2005. С. 34–37.

16.

Kabata-Pendias A, Pendias KH. Mikroelementy v pochvakh i rasteniyakh [Trace elements in soils and plants]. Moscow: Mir; 1989.

Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 440 с.

17.

Tangahu BV, Abdullah SRS, Basri H, Idris M et al. A review on heavy metals (As, Pb, and Hg) uptake by plants through phytoremediation. International Journal of Chemical Engineering. 2011;2011: 1–32.

Tangahu B.V., Abdullah S.R.S., Basri H., Idris M. et al. A review on heavy metals (As, Pb, and Hg) uptake by plants through phytoremediation // International Journal of Chemical Engineering. 2011. Vol. 2011. Pp. 1–32.

18.

Dogru A, Bayram NE. A study on drought stress tolerance in some maize (Zea mays L.) cultivars. Sakarya University Journal of Science. 2016;20(3): 509–519.

Dogru A., Bayram N.E. A study on drought stress tolerance in some maize (Zea mays L.) cultivars // Sakarya University Journal of Science. 2016. Vol. 20. Issue 3. Pp. 509–519.

19.

Sukiasyan A, Kirakosyan A, Tadevosyan A, Aslikyan M, Gharajyan K. Peculiarities of accumulation of some heavy metals on the chain of water – soil – plant. International Journal of Advanced Engineering and Management Research. 2017;2(5): 1534–1541. Available from: http://ijaemr.com/view1.php?issue=5

Sukiasyan A., Kirakosyan A., Tadevosyan A., Aslikyan M., Gharajyan K. Peculiarities of accumulation of some heavy metals on the chain of water – soil – plant // International Journal of Advanced Engineering and Management Research. 2017. Vol. 2. No. 5. Pp. 1534–1541. URL: http://ijaemr.com/view1.php?issue=5

20.

Feleafel MN, Mirdad ZM, Hassan ASh. Effecte of NPK fertigation rate and starter fertilizer on the growth and yield of cucumber grown in greenhouse. Journal of Agricultural Science. 2014;6(9): 81–92.

Feleafel M.N., Mirdad Z.M., Hassan A.Sh. Effecte of NPK fertigation rate and starter fertilizer on the growth and yield of cucumber grown in greenhouse // Journal of Agricultural Science. 2014. Vol. 6. No. 9. Pp. 81–92.

21.

Seregin IV, Ivanov VB. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants. Russian Journal of Plant Physiology. 2001;48(4): 523–544.

Seregin I.V., Ivanov V.B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants // Russian Journal of Plant Physiology. 2001. Vol. 48. No. 4. Pp. 523–544.

22.

Rucinska-Sobkowiak R. Water relations in plants subjected to heavy metal stresses. Acta Physiol Plant. 2016;38: 257–269. DOI: 10.1007/s11738-016-2277-5

Rucinska-Sobkowiak R. Water relations in plants subjected to heavy metal stresses // Acta Physiol Plant. 2016. Vol. 38. Pp. 257–269. DOI: 10.1007/s11738-016-2277-5

23.

Kaznina NM. Fiziologo-biokhimicheskiye i molekulyarno-geneticheskiye mekhanizmy ustoychivosti rasteniy semeystva Poaceae k tyazhelym metallam [Physiological, biochemical and molecular genetics mechanisms of tolerance of plants of the family Poaceae to heavy metal] (Dissertation of Doctor of Biological Sciences). Saint Petersburg; 2016.

Казнина Н.М. Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы устойчивости растений семейства Poaceae к тяжелым металлам: дис. … д-рa биол. наук. СПб., 2016. 358 с.

24.

Titov AF, Talanova VV, Kaznina NM. Fiziologicheskiye osnovy ustoychivosti rasteniy k tyazhelym metallam: uchebnoye posobiye [Physiological basis of plant resistance to heavy metals: textbook]. Petrozavodsk: Karel'skiy nauchnyy tsentr RAN Publ.; 2011.

Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам: учебное пособие / Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 77 с.