RUDN Journal of Ecology and Life SafetyRUDN Journal of Ecology and Life SafetyВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности2313-23102408-8919Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3978310.22363/2313-2310-2024-32-2-198-212XSSDXLEnvironmental MonitoringЭкологический мониторингResearch ArticleAssessment of changes in the accumulation of cadmium and aluminum in pea plants under the influence of selenium and silicon in the early phase of vegetationОценка изменения содержания кадмия и алюминия в растениях гороха посевного под влиянием селена и кремния на ранней фазе вегетацииhttps://orcid.org/0000-0001-5233-3497PuhalskyJan V.ПухальскийЯн Викторович

engineer-microbiologist 1 category, All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology (ARRIAM); Research Engineer of VNIIIPD - a Branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova, Russia Academy of Sciences

инженер-микробиолог 1-й категории, Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии; инженер-исследователь ВНИИ пищевых добавок - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова

puhalskyyan@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0005-7206-2395KovalchukAnastasia I.КовальчукАнастасия Игоревна

research engineer

техник 1-й категории

k.nastya4321@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8102-2900LoskutovSvyatoslav I.ЛоскутовСвятослав Игоревич

Ph.D. Agricultural Sciences, Senior Researcher

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

lislosk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8300-2287VorobyovNikolay I.ВоробьевНиколай Иванович

Ph.D. Tech. Sciences, Leading Researcher

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

nik.ivanvorobyov@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0003-3181-3792OsipovAnatoly I.ОсиповАнатолий Иванович

Doctor of Agriculture Sciences, Chief Scientific of the Agrophysical Institute

доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник

aosipov2006@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1134-3503KosulnikovYuri V.КосульниковЮрий Витальевич

Ph.D. Tech. Sciences, Researcher

кандидат технических наук, научный сотрудник

kullavayn@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9657-2454KozhemyakovAndrey P.КожемяковАндрей Петрович

Ph.D. Biol. Sciences, Leading Researcher

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

kojemyakov@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6241-0273LaktionovYuriy V.ЛактионовЮрий Владимирович

Ph.D. Biol. Sciences, Head of the Laboratory of Ecology of Symbiotic and Associative Rhizobacteria

кандидат биологических наук, заведующий лабораторией экологии симбиотических и ассоциативных ризобактерий

laktionov@list.ruAll-Russia Research Institute for Agricultural MicrobiologyВсероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологииFederal Scientific Center for Food Systems named after V.M. Gorbatova, Russia Academy of SciencesФедеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наукAgrophysical Institute of the Russian Academy of Agricultural SciencesАгрофизический научно-исследовательский институт30062024322VOL 32, NO2 (2024)ТОМ 32, №2 (2024)19821203072024Copyright ©; 2024, Puhalsky J.V., Kovalchuk A.I., Loskutov S.I., Vorobyov N.I., Osipov A.I., Kosulnikov Y.V., Kozhemyakov A.P., Laktionov Y.V.Copyright ©; 2024, Пухальский Я.В., Ковальчук А.И., Лоскутов С.И., Воробьев Н.И., Осипов А.И., Косульников Ю.В., Кожемяков А.П., Лактионов Ю.В.2024Puhalsky J.V., Kovalchuk A.I., Loskutov S.I., Vorobyov N.I., Osipov A.I., Kosulnikov Y.V., Kozhemyakov A.P., Laktionov Y.V.Пухальский Я.В., Ковальчук А.И., Лоскутов С.И., Воробьев Н.И., Осипов А.И., Косульников Ю.В., Кожемяков А.П., Лактионов Ю.В.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/39783

A large number of agricultural lands are located in close proximity to large cities, and therefore industrial enterprises and highways, which leads to inevitable soil contamination with heavy metals, of which cadmium is the most toxic. Also, due to a decrease in the rate of liming and the use of mineral fertilizers, aluminum ions accumulate in acidic soils. Currently, a search is underway among various plant species that exhibit resistance to the effects of toxicants and are capable of their gradual removal (phytoextraction) from the environment. Representatives from the legume family ( Fabaceae ) can be considered as potential candidates along with Cereals ( Poáceae ) and Brassicas ( Brassicáceae ). Studies conducted in this work with different tolerant genotypes of common pea (the wild sensitive line SGE, and the resistant mutant SGECDt created on its basis) showed that pre-sowing treatment of seeds with microelements in the form of selenium and silicon had a different effect on the selected genotypes. Silicon had a more pronounced stress-protective effect, stimulating the growth of both species. However, in some variants it reduced the degree of removal and fixation of toxicants in biomass, which is not suitable for use in phytoextraction technology. Selenium, on the contrary, further inhibited yield, but promoted greater accumulation of aluminum in shoots. The bimetallic type of pollution manifested itself in a decrease in the accumulation of toxicants in biomass in both genotypes by an average of 14.0%, compared with the monoelement type. Treatment with selenium and silicon here generally did not change the picture we observed in comparison with the monoelement type of pollution.

Большое количество сельскохозяйственных угодий находится в непосредственной близости к крупным городам, а значит, промышленным предприятиям и магистральным дорогам, что приводит к неизбежному загрязнению почв тяжелыми металлами, из которых наиболее токсичным является кадмий. Также в связи со снижением темпов известкования и применения минеральных удобрений в кислых почвах происходит накопление ионов алюминия. В настоящее время ведутся поиски среди различных видов растений, проявляющих устойчивость к воздействию токсикантов и способных к постепенному выносу (фитоэкстракции) их из окружающей среды. В качестве потенциальных кандидатов, наравне со злаками ( Poáceae ) и Капустными ( Brassicáceae ), могут рассматриваться представители из семейства Бобовых ( Fabaceae ). Исследования, проведенные в данной работе с разными по толерантности генотипами гороха посевного (дикая чувствительная линия SGE и созданный на ее основе устойчивый мутант SGECDt), показали, что предпосевная обработка семян микроэлементами в виде селена и кремния по-разному подействовала на выбранные генотипы. Кремний обладал более выраженным стресс-протекторным действием, стимулирующим рост обоих видов. Однако в отдельных вариантах он снижал степень выноса и закрепления токсикантов в биомассе, что не подходит для использования его в технологии фитоэкстракции. Селен, напротив, еще больше ингибировал урожайность, но способствовал большей аккумуляции алюминия в побегах. Биметаллический тип загрязнения проявился в снижении аккумуляции токсикантов в биомассе у обоих генотипов в среднем на 14,0 % в сравнении с моноэлементным типом. Обработка селеном и кремнием в целом не изменила картину, наблюдаемую нами в сравнении с моноэлементным типом загрязнения.

heavy metalsPisum sativumSGESGECDtsoil pollutionтяжелые металлызагрязнение почвPisum sativumSGESGECDtThe article was supported by State Assignment FGEW-2024-0009Статья выполнена при поддержке Госзадания FGEW-2024-0009Elkina GYa. Plant response to polyelement contamination of podzolic soils with heavy metals. Agrochemistry. 2017;(7):78–85. (In Russ.). https://elibrary.ru/item.asp?id= 29394888.Елькина Г.Я. Реакция растений на полиэлементное загрязнение подзолистых почв тяжелыми металлами // Агрохимия. 2017. № 7. С. 78-85. https://elibrary.ru/item.asp?id=29394888.Hasan SA, Fariduddin Q, Ali B, Hayat S, Ahmad A. Cadmium: toxicity and tolerance in plants. Journal of Environmental Biology. 2009;30(2):165–174. https://www.researchgate.net/publication/41396456_Cadmium_Toxicity_and_tolerance_ in_plants.Hasan S.A., Fariduddin Q., Ali B., Hayat S., Ahmad A. Cadmium: toxicity and tolerance in plants // Journal of Environmental Biology. 2009. Vol. 30, no. 2. P. 165-174. https://www.researchgate.net/publication/41396456_Cadmium_Toxicity_and_tolerance_in_plantsHaider FU, Liqun CС, Coulter JA, Cheema SA, Wu J, Zhang R, Wenjun M, Farooq M. Cadmium toxicity in plants: Impacts and remediation strategies. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021;211:111887. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111887.Haider F.U., Liqun C., Coulter J.A., Cheema S.A., Wu J., Zhang R., Wenjun M., Farooq M. Cadmium toxicity in plants: Impacts and remediation strategies // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. 211 p. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.111887.Abou Seeda MA, Abou El-Nour EAA, Maha MS Abdallah, Hala MS El- Bassiouny, Abd El-Monem AA. Physiological Effects of Cadmium on Plants: A review. Middle East Journal of Agriculture Research. 2023;12(02):267–362. https://doi.org/10.36632/mejar/ 2023.12.2.19.Abou Seeda M.A., Abou El-Nour E.A.A., Maha M.S. Abdallah, Hala M.S. El-Bassiouny, Abd El-Monem A.A. Physiological Effects of Cadmium on Plants: A review // Middle East Journal of Agriculture Research. 2023. Vol. 12, no. 2. P. 267-362. https://doi.org/10.36632/mejar/2023.12.2.19.Zulfiqar U, Jiang W, Xiukang W, Hussain S, Ahmad M, Maqsood MF, Ali N, Ishfaq M, Kaleem M, Haider FU, Farooq N, Naveed M, Kucerik J, Brtnicky M, Mustafa A. Cadmium Phytotoxicity, Tolerance, and Advanced Remediation Approaches in Agricultural Soils; A Comprehensive Review. Frontiers in Plant Science. 2022;13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.773815.Zulfiqar U., Jiang W., Xiukang W., Hussain S., Ahmad M., Maqsood M.F., Ali N., Ishfaq M., Kaleem M., Haider F.U., Farooq N., Naveed M., Kucerik J., Brtnicky M., Mustafa A. Cadmium Phytotoxicity, Tolerance, and Advanced Remediation Approaches in Agricultural Soils; A Comprehensive Review // Frontiers in Plant Science. 2022. Vol. 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.773815Kolesnikov SI, Kazeev KSh, Valkov VF, Ponomareva SV. Ranking of chemical elements according to their environmental hazard for the soil. Reports of the Russian Academy of Agricultural Sciences. 2010;(1):27–29. (In Russ.). https://elibrary.ru/item.asp?id= 12975273.Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф., Пономарева С.В. Ранжирование химических элементов по их экологической опасности для почвы // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2010. № 1. С. 27-29. https://elibrary.ru/item.asp?id=12975273Lapushkina AA, Alenicheva AD, Vernichenko IV, Shchuklina OA, Voronchikhina IN. Agroecological assessment of changes in cadmium content in spring barley plants under the influence of selenium and silicon. RUDN Journal of Ecology and Life Safety. 2021;29(2):138–146. (In Russ.). https://elibrary.ru/item.asp?id=47814864.Лапушкина А.А., Аленичева А.Д., Верниченко И.В., Щуклина О.А., Ворончихина И.Н. Агроэкологическая оценка изменения содержания кадмия в растениях ярового ячменя под влиянием селена и кремния // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2021. Т. 29, № 2. С. 138-146. https://elibrary.ru/item.asp?id=47814864Neenu S, Karthika KS. Aluminium toxicity in soil and plants. Harit Dhara. 2019;2(1):15–19.Neenu S., Karthika K.S. Aluminium toxicity in soil and plants // Harit Dhara. 2019. Vol. 2, no. 1. P. 15-19.Gupta N, Gaurav SS, Kumar A. Molecular basis of aluminium toxicity in plants: a review. American Journal of Plant Sciences. 2013;4(12С):21–37. https://doi.org/10.4236/ajps. 2013.412A3004.Gupta N., Gaurav S.S., Kumar A. Molecular basis of aluminium toxicity in plants: a review // American Journal of Plant Sciences. 2013. Vol. 4, no. 12. P. 21-37. https://doi.org/10.4236/ajps.2013.412A3004.Vishnyakova MA, Semenova EV, Kosareva IA, Kravchuk ND, Loskutov SI, Pukhalsky JV, Shaposhnikov AI, Sazanova AL, Belimov AA. Method for rapid assessment of aluminum tolerance in pea (Pisum sativum L.). Agricultural biology. 2015;50(3):353–360. (In Russ.). https://elibrary.ru/item.asp?id=23651341.Вишнякова М.А., Семенова Е.В., Косарева И.А., Кравчук Н.Д., Лоскутов С.И., Пухальский Я.В., Шапошников А.И., Сазанова А.Л., Белимов А.А. Метод экспрессоценки алюмотолерантности у гороха посевного (Pisum sativum L.) // Сельскохозяйственная биология. 2015. Т. 50. № 3. P. 353-360. https://elibrary.ru/item.asp?id=23651341.Belimov AA, Safronova VI, Tsyganov VE, Borisov AY, Kozhemyakov AP, Stepanok VV, Martenson A, Gianinazzi' Pearson V, Tikhonovich IA. Genetic variability in tolerance to cadmium and accumulation of heavy metals in pea (Pisum sativum L.). Euphytica. 2003;131(1):25–35. https://doi.org/10.1023/A:1023048408148.Belimov A.A., Safronova V.I., Tsyganov V.E., Borisov A.Y., Kozhemyakov A.P., Stepanok V.V., Martenson A., Gianinazzi' Pearson V., Tikhonovich I.A. Genetic variability in tolerance to cadmium and accumulation of heavy metals in pea (Pisum sativum L.). Euphytica. 2003. Vol. 131, no. 1. P. 25-35. https://doi.org/10.1023/A:1023048408148.Shamsi IH, Wei K, Jilani G, Zhang GP. Interactions of cadmium and aluminum toxicity in their effect on growth and physiological parameters in soybean. Journal of Zhejiang University SCIENCE B. 2007;8(3):181–188. https://doi.org/10.1631/jzus.2007.B0181.Shamsi I.H., Wei K., Jilani G., Zhang G.P. Interactions of cadmium and aluminum toxicity in their effect on growth and physiological parameters in soybean // Journal of Zhejiang University SCIENCE B. 2007. Vol. 8, no. 3. P. 181-188. https://doi.org/10.1631/jzus.2007.B0181.Cunha LO, Prado RM. Synergy of Selenium and Silicon to Mitigate Abiotic Stresses: a Review. Gesunde Pflanzen. 2023;75(14):1461–1474. https://doi.org/10.1007/s10343022-00826-9.Cunha L.O., Prado R.M. Synergy of Selenium and Silicon to Mitigate Abiotic Stresses: a Review // Gesunde Pflanzen. 2023. Vol. 75, no. 14. P. 1461-1474. https://doi.org/10.1007/s10343-022-00826-9.Tsyganov VE, Belimov AA, Borisov AY, Safronova VI, Georgi M, Dietz K-J, Tikhonovich IA. A Chemically Induced New Pea (Pisum sativum L.) Mutant SGECdt with Increased Tolerance to, and Accumulation of Cadmium. Annals of Botany. 2007;99(2):227–237. https://doi.org/10.1093/aob/mcl261.Tsyganov V.E., Belimov A.A., Borisov A.Y., Safronova V.I., Georgi M., Dietz K.-J., Tikhonovich I.A. A Chemically Induced New Pea (Pisum sativum L.) Mutant SGECdt with Increased Tolerance to, and Accumulation of Cadmium // Annals of Botany. 2007. Vol. 99, no. 2. P. 227-237. https://doi.org/10.1093/aob/mcl261.Belimov AA, Shaposhnikov AI, Azarova TS, Makarova NM, Safronova VI, Litvinskiy VA, Nosikov VV, Zavalin AA, Tikhonovich IA. Microbial Consortium of PGPR, Rhizobia and Arbuscular Mycorrhizal Fungus Makes Pea Mutant SGECdt Comparable with Indian Mustard in Cadmium Tolerance and Accumulation. Plants. 2020;9(8):975. https://doi.org/10.3390/plants9080975.Belimov A.A., Shaposhnikov A.I., Azarova T.S., Makarova N.M., Safronova V.I., Litvinskiy V.A., Nosikov V.V., Zavalin A.A., Tikhonovich I.A. Microbial Consortium of PGPR, Rhizobia and Arbuscular Mycorrhizal Fungus Makes Pea Mutant SGECdt Comparable with Indian Mustard in Cadmium Tolerance and Accumulation // Plants. 2020. Vol. 9, no. 8. P. 975. https://doi.org/10.3390/plants9080975.Sabitov MM. The influence of precursors and fertilizers on the productivity and economic efficiency of peas in the forest-steppe conditions of the Volga region. Perm Agrarian Bulletin. 2017;3(19):106–113. (In Russ.). https://elibrary.ru/item.asp?id=30009686.Сабитов М.М. Влияние предшественников и удобрений на продуктивность и экономическую эффективность гороха в условиях лесостепи Поволжья // Пермский аграрный вестник. 2017. Т. 3. № 19. С. 106-113. https://elibrary.ru/item.asp?id=30009686.López-Chuken UJ, López-Domínguez U, Parra-Saldivar R, Moreno-Jiménez E, Hinojosa-Reyes L, Guzmán-Mar JL, Olivares-Sáenz E. Implications of chlorideenhanced cadmium uptake in saline agriculture: modeling cadmium uptake by maize and tobacco. International Journal of Environmental Science and Technology. 2012;9:69– https://doi.org/10.1007/s13762-011-0018-2López-Chuken U.J., López-Domínguez U., Parra-Saldivar R., Moreno-Jiménez E., Hinojosa-Reyes L., Guzmán-Mar J.L., Olivares-Sáenz E. Implications of chloride-enhanced cadmium uptake in saline agriculture: modeling cadmium uptake by maize and tobacco // International Journal of Environmental Science and Technology. 2012. Vol. 9. P. 69-77. https://doi.org/10.1007/s13762-011-0018-2Shedeed SI, Fawzy ZF, El-Bassiony AM. Nano and mineral selenium foliar application effect on pea plants (Pisum sativum L.). Bioscience Research. 2018; 15(2):645–654.Shedeed S.I., Fawzy Z.F., El-Bassiony A.M. Nano and mineral selenium foliar application effect on pea plants (Pisum sativum L.) // Bioscience Research. 2018. Vol. 15, no. 2. P. 645-654.Novikova NE, Samsonova NE. The influence of silicon compounds on the process of germination of pea seeds and the protection of seedlings from oxidative damage. Bulletin of Agrarian Science. 2020;2(83):21–28. (In Russ.). https://elibrary.ru/item.asp?id= 42808951.Новикова Н.Е., Самсонова Н.Е. Влияние соединений кремния на процесс прорастания семян гороха и защиту проростков от окислительных повреждений // Вестник аграрной науки. 2020. Т. 2. № 83. С. 21-28. https://elibrary.ru/ item.asp?id=42808951.Ladonin DV. Competitive relationships of ions during soil contamination with heavy metals. Soil science. 2000;10:1285–1293. (In Russ.).Ладонин Д.В. Конкурентные взаимоотношения ионов при загрязнении почвы тяжелыми металлами // Почвоведение. 2000. № 10. С. 1285-1293.Polcaro AM, Mascia M, Palmas S, Vacca A, Tola G. Competitive Sorption of Heavy Metal Ions by Soils. Environmental Engineering Science. 2003;20(6):607–616. https://doi.org/10.1089/109287503770736122Polcaro A.M., Mascia M., Palmas S., Vacca A., Tola G. Competitive Sorption of Heavy Metal Ions by Soils // Environmental Engineering Science. 2003. Vol. 20, no. 6. P. 607- 616. https://doi.org/10.1089/109287503770736122