Coefficient of biological absorption of lead by corn as a factor of environmental safety

Full Text

Введение Одним из ключевых направлений современной экологии является восстановление почв, пострадавших от загрязнения тяжелыми металлами. В этой группе загрязнителей свинец (Pb) является одним из наиболее токсичных. Он способен нарушать разнообразные физиологические и метаболические процессы, как путем прямого ингибирования/активации ферментов (через замещение металлов в металлосодержащих ферментах с созданием более устойчивых соединений), так и косвенным воздействием на регуляторные механизмы [1; 4]. Соединения свинца накапливаются в сельскохозяйственных растениях, угнетая их и замедляя рост, а при употреблении в пищу таких растений животные и человек также могут получить отравления. При этом свинец является одним из наиболее широко распространенных техногенных загрязнителей почв [1], а загрязнению им подвержены преимущественно верхние, наиболее плодородные слои почвы. Как следствие, вопрос детоксикации почв, загрязненных свинцом, является весьма важным в сельскохозяйственной экологии, что способствует постоянной разработке новых и совершенствованию уже существующих способов ее проведения. Сейчас достаточно широко распространены химические (с использованием гипсования, морской воды и пр.) и физические (глубокая вспашка, промывка) методы обезвреживания свинца на сельскохозяйственных землях [1; 3], однако они не всегда и не везде применимы. Гораздо более удобными и щадящими для почв сельскохозяйственных земель являются биологические методы детоксикации от свинца при помощи растений-гипераккумуляторов, одним из которых является кукуруза [2; 3]. Вместе с тем свойства кукурузы, как поглотителя содержащегося в почве свинца, зависят и от используемых сортов данного растения, и от технологий его возделывания, в частности от характера подкормок. Однако определение биопоглощения свинца кукурузой имеет большое значение не только с точки зрения использования данной культуры для детоксикации почв. В силу ее распространенности, как пищевой и кормовой культуры, оно играет существенную роль в оценке рисков накопления данного металла в ее растительной продукции [4]. Поэтому необходимо учитывать взаимосвязь между биопоглощением свинца кукурузой и агротехникой ее возделывания [5; 6; 2]. Накопление свинца в почве зависит от ее физико-химических свойств, которые определяют подвижность, доступность и стабильность этого металла, прежде всего факторов pH почвы и органического вещества. В кислых почвах свинец становится более растворимым и подвижным, но может вымываться в грунтовые воды, а в щелочных почвах свинец образует нерастворимые соединения (карбонаты, гидроксиды), что способствует его накоплению. Высокое содержание органики усиливает хелатирование (связывание) свинца, уменьшая его подвижность. Однако при разложении органики металл может высвобождаться. Эти факторы регулируют переход металла между подвижными и стабильными формами, определяя его экологическую опасность [1]. Ключевым фактором, регулирующим доступность свинца (Pb) для растений и, следовательно, величину коэффициента его биологического поглощения (КБП), является форма его нахождения в почве. Кислотно-основные условия (pH) и содержание органического вещества (ОВ) оказывают на этот процесс решающее и конкурентное влияние. Таким образом, величина КБП свинца определяется балансом между этими процессами, а его прогнозирование невозможно без установления функциональной зависимости [7]. Цель исследования - оценить влияние сортовых особенностей кукурузы на коэффициент биологического поглощения (КБП) свинца в условиях варьирующих агрохимических свойств почвы (содержание органического вещества, кислотность) и валового содержания загрязнителя. Материалы и методы исследования Работа выполнялась на территории полевой опытной станции, находящейся в ведомстве Тимирязевской академии (г. Москва, ул. Прянишникова, д. 37). Схема опыта приведена на рис. 1. Эксперимент был проведен с использованием трех раннеспелых сортов кукурузы: Ладожский 175МВ (вегетационный период 115 дней), Компетенс (вегетационный период 112-113 дней) и Краснодарский 194МВ (от всходов до полного созревания зерна 95-98 дней). Это раннеспелые сорты, районированные в Тимирязевском районе Северного административного округа города Москвы для выращивания на силос. Для каждого из них были предусмотрены контрольные и опытные участки (с внесением удобрений), по три повторности на каждый вариант. В качестве минеральн ого удобрения использовалось комплексное удобрение «Азофоска» (NPK 16:16:16), которое вносилось каждые две недели в количестве 15 г под каждое растение. Посадка кукурузы была произведена 29 мая 2023 г. на территории полевой опытной станции (рис. 2), фаза трубкования растений наступила 21 июля 2023 г. (рис. 3). Рис. 1. Схема заложения опыта: большие прямоугольники - контроль, маленькие - без удобрений Примечание: оранжевый Компетенс (ФАО 200); зеленый Ладожский 175МВ (ФАО 170); желтый Краснодарский 194МВ (ФАО 1940) Источник: составлено П.Ф. Васильковым. Figure 1. Layout of the experiment: large square - control, small ones without fertilizers Note: orange “Competence” (FAO 200); green Ladozhsky 175MV (FAO 170); yellow Krasnodarsky 194MV (FAO 1940) Source: compiled by P.F. Vasilkov. Рис. 2. Опытное поле Источник: фото П.Ф. Василькова. Figure 2. Experimental field Source: photo by P.F. Vasilkov. Анализ содержания общего свинца в почве проводился в соответствии с методикой РД 52.18.191-89 с помощью спектроскопического метода. Определение свинца в кукурузе осуществлялось в высушенной надземной растительной массе по методике РД 52.18.289-90 с помощью атомно-адсорбционной спектроскопии. Отбор проб почвы и растительного материала (кукурузы) был произведен 22 июля 2023 г. на стадии трубкования. Через две недели (10 августа) образцы почв и растений были повторно взяты и исследованы на те же характеристики. Образцы брались методом конверта с трех квадратов для каждого варианта опыта. На основании данных о содержании свинца в почве и его общего содержания в надземной части рассчитывался коэффициент биопоглощения свинца, как отношение содержания элемента в растении к его содержанию в почве. Статистическая обработка полученных данных была проведена при помощи программного обеспечения Microsoft Excel и Statistica 6.0. Рис. 3. Кукуруза в фазе трубкования Источник: фото П.Ф. Василькова. Figure 3. Maize in the tubing phase Source: photo by P.F. Vasilkov. Результаты исследования Накопление свинца в почве тесно связано с ее кислотностью (pH) и содержанием органического вещества. Результаты представлены в табл. 1. Таблица 1. Содержание pH и органического вещества почве Органическое вещество pH солевой Ладожский 175МВ Компетенс Краснодарский 194МВ Ладожский 175МВ Компетенс Краснодарский 194МВ 22.07.2023 1,98 ± 0,40 2,35 ± 0,47 1,61 ± 0,32 6,51 ± 0,20 6,57 ± 0,20 6,67 ± 0,20 10.08.2023 2,01 ± 0,37 2,43 ± 0,41 1,73 ± 0,35 6,59 ± 0,24 6,61 ± 0,24 6,69 ± 0,24 Источник: составлено П.Ф. Васильковым. Table 1. Soil pH and organic matter content organic matter pH saline ladoga 175MV competence Krasnodar 194MV ladoga 175MV competence Krasnodar 194MV 22.07.2023 1.98 ± 0.40 2.35 ± 0.47 1.61 ± 0.32 6.51 ± 0.20 6.57 ± 0.20 6.67 ± 0.20 10.08.2023 2.01 ± 0.37 2.43 ± 0.41 1.73 ± 0.35 6.59 ± 0.24 6.61 ± 0.24 6.69 ± 0.24 Source: compiled by P.F. Vasilkov. В табл. 1 представлены данные мониторинга кислотности (pH) и содержания органического вещества в почве на 22.07.2023 и 10.08.2023, а также их потенциальное влияние на аккумуляцию свинца. На 22.07.2023 кислотность почвы варьировалось от 6,51 ± 0,20 до 6,67 ± 0,20 (нейтральной), а содержание органического вещества - от 1,61 ± 0,32% (очень низкое) до 2,35 ± 0,47 % (низкое). К 10.08.2023 наблюдалось увеличение pH от 6,59 ± 0,24 до 6,69 ± 0,24 (нейтральная) и рост органического вещества от 1,73 ± 0,35% (очень низкое) до 2,43 ± 0,41% (низкое). Рост содержания органического вещества усиливает хелатирование и адсорбцию свинца, уменьшая его миграцию в нижние горизонты почвы. Это сочетание факторов (умеренный pH и увеличение органики) создает условия для накопления свинца в верхних слоях, так как металл более активно связывается с гуминовыми кислотами и стабилизируется в почвенном комплексе. Повышение pH указывает на слабую тенденцию к ощелачиванию, что способствует снижению подвижности свинца за счет образования менее растворимых соединений (например, карбонатов). Как следует из данных табл. 1, даже незначительные изменения органического вещества и pH могут влиять на поведение свинца. Для точной оценки экологических рисков необходимо учитывать динамику этих параметров в сочетании с прямыми измерениями концентрации металла. Кукуруза относится к числу термофильных сельскохозяйственных растений [8]. Для успешного прорастания семян кукурузы необходима минимальная температура в интервале +8 … +10 ºС. Молодые растения, имеющие два листа, способны переносить кратковременное понижение температуры до -2 ºС. Интенсивный рост вегетативной массы активизируется при температуре выше +10 ºС. Процесс осеннего накопления биомассы приостанавливается при понижении температуры ниже +12 ºС. Оптимальным температурным режимом для роста и развития растений в период от появления всходов до цветения считаются среднесуточные температуры в диапазоне 20-23 °C [9]. Опти мальное развитие растений кукурузы скороспелых сортов достигается при сумме активных температур в диапазоне 18-20 °С. Для среднеспелых и позднеспелых сортов этот показатель должен составлять 23-26 °С [10]. На рис. 4-5 представлены диаграммы со среднесуточной температурой с 29 мая по 10 августа 2023 г. Среднесуточная температуры воздуха с 29 мая по 10 августа 2023 г. на опытной станции в начальный период (на конец мая и начала июня): - преобладают температуры ниже 15 °C, минимальная среднесуточная температуры зафиксирована с 5 по 6 июня и варьировалась от 9,5 до 10,4 °C; - холодный старт вегетации: 11 дней из первых 14 были ниже 16 °C. Июль: - стабилизация: температуры в основном 16-22 °C, что оптимально для кукурузы; - критически важный период цветения (обычно середина июля) совпал с благоприятными условиями (17-21°C). Август: - резкое потепление: пики до 26,2 °C (8 августа), 10 дней выше 23 °C. - завершение периода: умеренное снижение к 10 августа (20,5 °C). Рис. 4. Среднесуточная температура воздуха с мая по август за 2023 г. Источник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Мосиной. Figure 4. Average daily air temperature from May to August for the year 2023 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. Несмотря на стрессовые температуры в начале и конце сезона, сорта Компетенс и Ладожский способны показывать удовлетворительную урожайность благодаря устойчивости к перепадам и оптимальным условиям в ключевые фазы. Кукуруза сорта Краснодарский пострадала сильнее из-за чувствительности к перепадам температуры. Однако итоговую оценку возможно дать только после анализа влагообеспеченности почвы. Исследование содержания свинца в почвах и зеленой массе кукурузы в обоих повторностях 22 июля и 10 августа как для удобряемых, так и для неудобряемых участков показало, что содержание свинца на удобряемых участках ниже, чем на неудобряемых (табл. 2, 3 рис. 5-8). Указанное различие является статистически значимым. Таблица 2. Содержание валового Pb в почве, мг/кг Вариант Ладожский 175МВ Компетенс Краснодарский 194МВ 22.07.2023 Без удобрений 24,19 ± 1,21 16,3 ± 0,82 21,63 ± 1,08 С удобрениями 22,7 ± 1,10 15,1 ± 0,71 18,6 ± 0,92 10.08.2023 Без удобрений 27,2 ± 0,96 18,5 ± 0,43 24,4 ± 0,72 С удобрениями 24,2 ± 0,72 15,6 ± 0,54 21,6 ± 0,83 И сточник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Моси Table 2. gross Pb content in soil, mg/kg ной. Variant ladozhsky 175MV competence Krasnodarsky 194MV 22.07.2023 Without fertilizer 24.19 ± 1.21 16.3 ± 0.82 21.63 ± 1.08 With fertilizer 22.7 ± 1.10 15.1 ± 0.71 18.6 ± 0.92 10.08.2023 Without fertilizer 27.2 ± 0.96 18.5 ± 0.43 24.4 ± 0.72 With fertilizer 24.2 ± 0.72 115.6 ± 0.54 21.6 ± 0.83 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. Содержание общего свинца в почве в течение всего периода исследования увеличивается во всех исследуемых образцах. Под сортом Ладожский демонстрируются наибольшие значения содержания свинца, в обоих периодах без удобрений результат варьируется от 24,19 ± 1,21 до 27,2 ± 0,96 мг/кг, а с удобрениями от 22,7 ± 1,10 до 24,2 ± 0,72, что может свидетельствовать о более высокой степени поглощения этого элемента. Содержание свинца в образцах почв с неудобряемых участков превышало показатели с участков, получавших удобрения. Среди сортов, не подвергавшихся удобрению, сорт Компетенс демонстрировал наименьшее содержание свинца на обе даты. Сорт Краснодарский в ряде случаев характеризовался максимальными значениями содержания свинца, в частности, 10.08.2023 у второго образца этот показатель достиг 0,663 ± 0,21 мг/кг. Таблица 3. Содержание валового Pb в зеленой массе, мг/кг Вариант Ладожский 175МВ Компетенс Краснодарский 194МВ 22.07.2023 Без удобрений 0,507 ± 0,13 0,484 ± 0,09 0,553 ± 0,17 С удобрениями 0,486 ± 0,19 0,418 ± 0,16 0,458 ± 0,15 10.08.2023 Без удобрений 0,643 ± 0,10 0,567 ± 0,19 0,663 ± 0,21 С удобрениями 0,531 ± 0,07 0,436 ± 0,14 0,573 ± 0,09 Источник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Моси Table 3. gross Pb content in soil, mg/kg ной. Variant ladozhsky 175MV competence Krasnodarsky 194MV 22.07.2023 Without fertilizer 0.507 ± 0.13 0.484 ± 0.09 0.553 ± 0.17 With fertilizer 0.486 ± 0.19 0.418 ± 0.16 0.458 ± 0.15 10.08.2023 Without fertilizer 0.643 ± 0.10 0.567 ± 0.19 0.663 ± 0.21 With fertilizer 0.531 ± 0.07 0.436 ± 0.14 0.573 ± 0.09 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. У растений, которым были внесены удобрения, содержание свинца было существенно ниже, чем у контрольной группы. В частности, у сорта Краснодарский минимальное значение составляло 0,458 ± 0,15 мг/кг. Сорт Ладожский сохранял сравнительно низкие показатели содержания свинца как в группе без удобрений, так и в группе с удобрениями в период цветения. По состоянию на 10 августа 2023 г. отмечается незначительный рост концентрации свинца в образцах кукурузы, выращенной без применения удобрений, по сравнению с показателями, зафиксированными 22 июля 2023 г. В то же время уровень содержания свинца в образцах, полученных с использованием удобрений, сохраняется на стабильном уровне или даже демонстрирует тенденцию к снижению. Это может свидетельствовать о благоприятном влиянии удобрений на уменьшение биоаккумуляции свинца растениями. Анализ содержания валового свинца в образцах кукурузы трех сортов (Ладожский, Компетенс, Краснодарский) выявил схожие средние значения, варьирующиеся в пределах от 0,418 ± 0,16 до 0,643 ± 0,10 мг/кг. Это свидетельствует о близости концентрации свинца в исследуемых сортах. Стандартное отклонение указывает на умеренную вариабельность данных. Сорт Краснодарский демонстрирует наибольшую дисперсию, что говорит о более широком диапазоне содержания свинца в данном сорте. Распределение данных, согласно показателям эксцесса и асимметрии, характеризуется незначительным смещением вправо и отклонением от нормального распределения за счет большей плоскости. Полученные данные подтверждают сопоставимое содержание свинца в кукурузе всех трех сортов. Однако необходимо отметить, что сорт Краснодарский отличается более выраженной вариабельностью значений. В ходе проведения исследования было определено содержание валового свинца (Pb) в кукурузе. Установлено, что его содержание увеличивается по мере продолжения эксперимента для всех вариантов (табл. 2). Это свидетельствует о накопительном характере поглощения свинца растениями кукурузы из почвы (т.е. поглощенный свинец из растения не выводится). Коэффициент биологического поглощения (КБП) действительно отражает способность растений поглощать химические элементы или соединения из почвы. Если говорить конкретнее, в контексте свинца, КБП позволяет оценить количественную оценку рисков, прогнозировать транслокацию в пищевых цепях и т.д. На рис. 5-8 представлены КБП в кукурузе следующих сортов: Ладожский, Компетенс и Краснодарский. Рис. 5. Коэффициент биологического поглощения без удобрений 22.07.2023 Источник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Мосиной. Figure 5. Biological uptake coefficient without fertilizers 22.07.2023 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. Рис. 6. Коэффициент биологического поглощения с удобрениями 22.07.2023 Источник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Мосиной. Figure 6. Biological uptake coefficient with fertilizers 22.07.2023 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. Рис. 7. Коэффициент биологического поглощения без удобрений 10.08.2023 Источник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Мосиной. Figure 7. Biological uptake coefficient without fertilizers 10.08.2023 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. Рис. 8. Коэффициент биологического поглощения с удобрениями 10.08.2023 Источник: составлено П.Ф. Васильковым, Л.В. Мосиной. Figure 8. Biological uptake coefficient with fertilizers 10.08.2023 Source: compiled by P.F. Vasilkov, L.V. Mosina. Проведенный анализ коэффициента биологического поглощения свинца у сортов кукурузы Ладожский, Комптенс и Краснодарский в разные сроки вегетации (22.07 и 10.08) позволил сделать следующие выводы. Для сорта Ладожский на 22.07.2023 внесение удобрений не изменило значение КБП: - без удобрений: 0,021;- с удобрениями: 0,021. Это может указывать на то, что использованные удобрения не оказали значимого воздействия на доступность свинца в почве для данного сорта, вероятно, из-за стабильности почвенных условий или специфики состава удобрений. На 10.08.2023 применение удобрений привело к незначительному снижению КБП: - без удобрений: 0,024;- с удобрениями: 0,022. У сорта Компетенс к 10.08.2023 зафиксирован рост КБП по сравнению с на 22.07.2023 (0,031 против 0,030 без удобрений). Это может быть связано с особенностями физиологии сорта, накоплением свинца в поздние фазы вегетации или изменением условий окружающей среды (температура, влажность). Для сорта Комптенс на 22.07.2023 внесение удобрений снизило КБП с 0,030 до 0,028, на 10.08.2023 наблюдается аналогичная тенденция: КБП уменьшился с 0,031 (без удобрений) до 0,028 (с удобрениями). Для сорта Краснодарский на 22.07.2023 внесение удобрений не изменило значение КБП: - без удобрений: 0,026;- с удобрениями: 0,025. На 10.08.2023 применение удобрений привело к незначительному снижению КБП: - без удобрений: 0,027;- с удобрениями: 0,026. Это может быть связано со стабильностью почвенных условий (pH, содержание органики), а также особенностями состава удобрений, не влияющих на доступность свинца. Полученные данные подтверждают, что кукуруза обладает низким потенциалом накопления свинца, а грамотное применение удобрений способствует дополнительному снижению экологических рисков. Это важно для обеспечения безопасности сельхозпродукции и устойчивого землепользования. Это свидетельствует о том, что применение удобрений, вероятно, снижает доступность свинца в почве для растений за счет изменения ее химических свойств (например, повышения pH, связывания металла в комплексы или конкуренции с макроэлементами). Обсуждение Удобрения не способствуют усилению поглощения свинца растениями кукурузы [9]. Это может быть связано с тем, что удобрения способствуют улучшению здоровья растений и их способности к усвоению питательных веществ, что может снижать уровень токсичных элементов, таких как свинец [5]. Установленное повышенное содержание свинца в кукурузе, выращенной без применения удобрений, может указывать на наличие загрязнения почвы или атмосферного воздуха [2; 3]. Необходимы дальнейшие исследования для выявления источника загрязнения. Использование удобрений, предположительно, способствует снижению уровня накопления свинца в растениях, что может иметь положительное значение для здоровья населения и состояния окружающей среды. У сорта Ладожский коэффициент биологического поглощения характеризуется минимальными показателями валового содержания свинца на обе даты исследования, однако также показывает значительное увеличение его концентрации во времени. Общее увеличение валового содержания свинца во времени может быть обусловлено загрязнением окружающей среды, почвы и другими факторами. Сорт Компетенс требует особого внимания в связи с наибольшими значениями коэффициента биологического поглощения. Это создает потенциальный риск для здоровья и безопасности потребления продукции данного сорта. Заключение Исследование агрономических факторов, влияющих на валовое содержание свинца в кукурузе, выявило существенные моменты, связанные как с выбором сортов, так и с методами их культивирования. Оптимальные температурные режимы для роста кукурузы и применение удобрений играют решающую роль в минимизации накопления тяжелых металлов, таких как свинец, в растениях. Результаты исследования показали, что коэффициент биологического поглощения у валового содержания свинца у сорта Ладожский оказался минимальным, что делает его предпочтительным для использования в регионах с потенциальным загрязнением почвы. В то же время коэффициент биологического поглощения сорта Компетенс демонстрирует более высокую склонность к накоплению валового содержания свинца, требуя тщательного мониторинга его применения. Значительная вариабельность данных для сорта Краснодарский свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения влияния внешних факторов на накопление валового содержания свинца в этом сорте. Проведенное исследование подчеркивает важность агрономических практик и выбора сортов, направленных на минимизацию загрязнения, для обеспечения безопасности сельскохозяйственной продукции. Полученные результаты имеют практическую ценность для агрономов и специалистов в области экологии, способствуя разработке рекомендаций по безопасному выращиванию кукурузы и повышению качества продукции. Необходимы дополнительные исследования для более глубокого понимания механизмов накопления тяжелых металлов и разработки стратегий управления, направленных на повышение устойчивости сортов к загрязнению.

About the authors

Pavel F. Vasilkov

A.N. Kostyakov Institute of Land Reclamation, Water Management and Construction

Author for correspondence.
Email: p.f.vasilkov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1406-5118
SPIN-code: 3311-5337

Postgraduate student

19 Pryanishnikova St, Moscow, 127550. Russian Federation

Lyudmila V. Mosina

A.N. Kostyakov Institute of Land Reclamation, Water Management and Construction

Email: mosina.l.v@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2120-0389

Doctor of Biological Sciences

19 Pryanishnikova St, Moscow, 127550. Russian Federation

References

Supplementary files