ВЛИЯНИЕ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ НА НАКОПЛЕНИЕ Pb, Cd ПРОРОСТКАМИ БОБОВОЙ КУЛЬТУРЫ

Полный текст

ВведениеИспользование угля в энергетических целях сопровождается рядом экологи- ческих проблем. В первую очередь это процессы загрязнения, связанные с по- ступлением пыли и различных химических соединений в гидросферу, атмосферу, педосферу и биосферу по различным цепям [1]. Неслучайно многие исследова- тели считают уголь «самым грязным из всех видов ископаемого топлива», а те- пловую энергетику, функционирующую на грязном топливе, оценивают как ос- новной источник химического загрязнения природной среды [2].Еще одна проблема связана с поступлением в окружающую среду поллютантов при сжигании топлива, которые воздействуют на биоту и носят сочетательный характер с проявлением эффекта синергизма. Значительная часть поступающих в природную среду компонентов, в том числе пылевых составляющих выбросов, обладает мутагенными, канцерогенными, тератогенными эффектами либо явля- ется токсичной и оказывает влияние на биоту и человека [3].Поступление химических элементов в окружающую среду при сжигании угля зависит от многих факторов: минерального состава угля, термохимической устой- чивости их соединений, уровня накопления и формы находящихся элементов в углях, технологического сжигания твердого топлива и характера соединений, технологии улавливания пылеаэрозольной и газовой фазы, технологии сбора, складирования и утилизации шлаков и зол уноса и др.Вследствие сжигания угля на поверхность Земли ежегодно выпадает (т): рту- ти - 1600, свинца - 3600, меди - 2100, цинка около 7000, никеля - 3700 и т.д.Ежегодно при сжигании угля выделяется больше, чем включается в биологи- ческий круговорот: мышьяка - в 125, урана - в 60, кадмия - в 40, иттрия, цир- кония - в 10, олова - в 3-4 раза [4].Цель - определить фитотоксичность пылевых выбросов сгоревшего угольно- го топлива, а также накопление Pb и Cd в органах проростков тест-культуры Pisum sativum L.Объект и методы исследованияМодельный опыт заложен согласно методике З.И. Журбицкого [5] в пласти- ковых сосудах. Для опытов выбрали незагрязненную фоновую темно-каштановую среднесуглинистую почву, отобранную в 60 км от города Семей (Республика Ка- захстан) на полях бывшей сельскохозяйственной опытной станции ввиду ее ши- рокого распространения для сельскохозяйственного назначения. Пыль угольно- го топлива собирали из циклонного аппарата в одной из наиболее мощной ко- тельной города Семей. В связи с тем, что растения семейства бобовых интенсивно накапливают в надземной части тяжелые металлы (ТМ) [6-8], в ка- честве тест-объекта нами было выбрано однолетнее растение, принадлежащее этому семейству, - горох посевной сорта «Дебют» (Pisum sativum L.). Искусствен- ное загрязнение пылью производили в сухом виде в соотношениях 0,1, 0,5, 1,0, 5,0, 10,0 и 15,0% угольной пыли к 1 кг воздушно-сухой массы почвы. В каждый сосуд высаживали по 24 проращенных семян. В течение 30 суток сосуды находи- лись на рассеянном свету. За 100% принимали зеленую массу растения и корни, выращенные на контрольной почве в одинаковых условиях с вариантами загряз- нения.Содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах опреде- ляли фотоколориметрическим химическим дитизоновым методом Г.Я. Ринькиса [9-12], основанном на измерении оптической плотности окрашенного экстрак- та при помощи спектрофотометра СФ-2000. Чувствительность метода - 0,01 мкг/ мл, стандартное отклонение - ±4,6%. Определения проводили в трех- кратной повторности.При оценке токсичности ТМ считали, что фитотоксичным является такое их содержание в почве, которое снижает продуктивность растений на 10% и более от контрольного варианта [13].Объективным критерием оценки количества ионов металлов, перешедших из почвы в растение, служит коэффициент накопления (Кн), т.е. соотношение кон- центрации Pb и Cd в воздушно-сухой массе растения (мг/кг) к концентрации их подвижных форм соединений в почве (мг/кг) [14; 15].Оценку распределения элементов между живым веществом и абиотической средой осуществляли, используя коэффициент биологического поглощения (КБП) - соотношение концентрации Pb и Cd в золе растения к их валовому со- держанию в почве, на которой произрастало растение [16].Теоретический вынос определен как произведение урожайности культур с уче- том фитотоксического эффекта, полученного в опыте, и концентрации ТМ в рас- тениях.Результаты исследованийСодержание гумуса в фоновой почве составляет 1,23%, физической глины - 8,7%, рНводн - 7,11, илистой фракции - 4,9%, ЕКО - 9,1 м-экв/100 г. По града- ции В.Б. Ильина [14] изучаемая почва по степени буферности является средней.В исходной почве валовое содержание Pb составляет 22 мг/кг, Cd - 0,73 мг/ кг.Для форм соединений Pb в фоновой почве (табл. 2) характерен следующий убывающий ряд их соединений:кислоторастворимая (6,1 мг/кг) > обменная (2,8 мг/кг)>водорастворимая (0,5 мг/кг);для Cd: кислоторастворимая (0,09 мг/кг) > обменная (0,06 мг/кг) > водо- растворимая (0,01 мг/кг).Результаты проведенных исследований пыли представлены в табл. 1, из кото- рой следует, что валовое содержание Pb составляет 33,0 мг/кг, Cd - 4,8 мг/кг, превышая КларкPb в литосфере по А.П. Виноградову (16,0 мг/кг) в 2,1 и Cd - в 36,9 раза (0,13 мг/кг) [17; 18], КларкPb в почве по А.П. Виноградову (10,0 мг/кг) - в 3,3 и Cd - в 9,6 раза (0,5 мг/кг) [18], ПДКСd в почве по А. Клоке (3,0 мг/кг) [19; 20] в 1,6 раза и ПДКСd в почве, установленные в Казахстане (0,5 мг/кг), - в 9,6 раза.Концентрация кислоторастворимой формы свинца в данной пыли составляет 9,2 мг/кг, кадмия - 1,5 мг/кг, что в 1,5 раза выше ПДКCd для почв сельскохозяй- ственного назначения (1,0 мг/кг) [4; 20].В исследуемых пылевых выбросах водорастворимая форма Pb составила 1,8%, Cd - 1,6%, обменная - 13,3% Pb и 15,1% Cd, кислоторастворимая - 28,0% Pb и 31,3% Cd от их валового содержания в пыли.Содержание и форма соединений ТМ в пыли сгоревшего угольного топлива (The contents and form of TM compounds in the dust of the burned coal fuel)Таблица 1ЭлементВаловое содержаниеФормы соединений123Pb33 ± 2,21,7 ± 2,7 (1,8)4,4 ± 2,8 (13,3)9,2 ± 2,7 (28,0)Cd4,8 ± 1,40,08 ± 2,4 (1,6)0,7 ± 2,6 (15,1)1,5 ± 2,8 (31,3)Примечание: здесь и в других таблицах: 1 - водорастворимая форма соединений ТМ; 2 - обмен- ная форма; 3 - кислоторастворимая форма; в числителе - содержание элемента в форме соеди- нения, мг/кг; в скобках - процент от валовой концентрации.Как показано на рисунке, с увеличением дозы загрязнения почвы угольной пылью валовая концентрация свинца увеличилась от 8,2% (при 10,0% пыли) до 19,1% (при 15,0% пыли в почве), кадмия - от 1,4% (при 0,5% пыли) до 64,4% (при 15,0% пыли) относительно фоновой почвы, а также превысило КларкPb в почве в 2,4 раза, при 15,0% пыли - в 2,6 раза. При внесении 0,5% пыли в почве общее содержание кадмия составило 1,5 его кларка в почве, а с увеличением дозы пыли до 15,0% - 2,4 его кларка в почве по А.П. Виноградову, а также соответствует 1,5 ПДКCd, установленных в Казахстане.Содержание свинца и кадмия в формах соединений с внесением угольной пыли в почву практически не увеличилось (табл. 2).Рис. Валовое содержание Pb, Cd в почве, искусственно загрязненной пылевыми выбросами сгоревшего угольного топлива, мг/кг(Total contents of Pb, Cd in the soil artificially contaminated dust emissions from the coal of burned fuel, mg/kg)Формы соединений Pb, Cd в почве, загрязненной пылевыми выбросами сгоревшего угольного топлива, мг/кг(Forms of the compounds of Pb, Cd in soil, contaminated dust emissions from the coal of burned fuel, mg/kg)Таблица 2Доза пыли в почве, %PbCd123123Контроль0,5 ± 0,8 (2,3)2,8 ± 1,0 (12,7)6,1 ± 1,5 (27,6)0,01 ± 0,6 (1,5)0,06 ± 0,8 (8,0)0,09 ± 1,2 (12,1)0,10,5 ± 0,4 (2,3)2,8 ± 0,8 (12,7)6,1 ± 1,1 (27,6)0,011 ± 0,8 (1,5)0,06 ± 1,1 (8,4)0,12 ± 1,3 (16,8)0,50,51 ± 0,6 (2,3)2,8 ± 0,7 (12,8)6,2 ± 1,2 (28,0)0,011 ± 0,9 (1,6)0,07 ± 1,2 (9,3)0,2 ± 1,2 (25,1)1,00,6 ± 0,4 (2,5)3,1 ± 0,5 (14,2)6,9 ± 0,9 (31,1)0,014 ± 1,4 (1,8)0,08 ± 1,8 (11,1)0,22 ± 2,0 (29,3)5,00,6 ± 0,6 (2,7)3,6 ± 0,8 (16,1)7,4 ± 1,0 (33,4)0,02 ± 1,2 (2,1)0,12 ± 1,3 (15,6)0,28 ± 1,8 (35,4)10,00,7 ± 0,8 (3,0)4,4 ± 1,2 (18,4)8,5 ± 2,4 (35,6)0,023 ± 1,3 (2,3)0,21 ± 1,5 (21,2)0,42 ± 2,1 (41,8)15,00,8 ± 1,5 (3,2)5,3 ± 1,8 (20,1)9,9 ± 2,5 (37,8)0,04 ± 1,3 (3,1)0,32 ± 1,6 (27,0)0,6 ± 1,9 (49,3)Для всесторонней оценки влияния загрязнения почвы на интенсивность на- чального роста проростков учитывали ряд принятых в семеноводстве показателей: всхожесть, энергию прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания. Так, при внесении в почву 0,1 и 0,5% угольной пыли наблюдали снижение по- казателей всхожести, энергии, дружности и скорости прорастания проростков; от 1,0 до 15% внесенной пыли - увеличение этих показателей относительно кон- трольного варианта. Рост и развитие проростков в контрольном варианте проис- ходило без признаков угнетения, биомасса составила 13,72 г/сосуд. В дозах 0,1- 15,0% угольной пыли наблюдали увеличение биомассы надземной части про- ростков от 6,4 до 36,3%. Проростки имели крепкий стебель и хорошо развитую корневую систему, признаки угнетения отсутствовали. Кроме того, при указанных дозах внесенной пыли длина надземной части растения увеличилась от 3,5 до 51,2%, корней - от 4,4 до 42,2%. Из сказанного следует, что интенсивного ток- сического эффекта от пылевых выбросов угольной пыли не наблюдалось.С увеличением дозы вносимой пыли в почву накопление Pb и Cd в органах проростков возрастало (табл. 3). Так, в дозах 0,1-15,0% пыли в надземной части Pisum sativum L. концентрация Pb в 1,6-9,0 раза и Cd - в 4,3-64,3 раза превы- шает это же содержание в контрольном варианте. Сведения о распределениисвинца и кадмия по органам и тканям растений весьма противоречивы [14; 15; 21]. Одни исследователи указывают на максимальное накопление указанных эле- ментов в корнях растений, другие - в надземной части. Очевидно, это связано как с видовой специфичностью растений, так и со свойствами самих элементов.Результаты проведенных нами исследований показали, что накопление Pb и Cd в органах проростков Pisum sativum L. носит акропетальный характер, т.е. со- держание исследуемых химических элементов в корнях проростков выше, чем в надземной части. Так, концентрация Pb в корнях опытных проростков в указан- ных дозах в 1,6-2,1 раза и Cd - в 3,3-1,3 раза выше, чем в надземной части.Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества [22; 23]; концентрация Pb свыше 10 мг/кг сухого вещества считается токсичной для большинства культурных растений [2; 24].Что же касается кадмия, то для высших растений необходимость в данном элементе достоверно не изучена. Известно, что естественное (фоновое) содержа- ние Cd в бобовых культурах составляет 0,08-0,27 мг/кг сухого вещества. При внесении 0,1-15,0% пыли в почву концентрация данного элемента в надземных органах проростков Pisum sativum L. в 1,1-16,7 раз выше по сравнению с фоновым содержанием Cd в бобовых культурах.Концентрация и КБПPb, Cd в органах проростков Pisum sativum L.(Concentration and КБПPb, Cd in organs of the seedlings of Pisum sativum L.)Таблица 3Доза пыли в почве, %концентрация, мг/кг сухого веществаКБПPbCdPbCd00,8 ± 0,61,5 ± 0,40,07 ± 0,50,4 ± 0,70,430,830,070,010,11,3 ± 0,72,1 ± ,060,3 ± 1,11,0 ± 1,20,0070,0110,050,160,52,5 ± 1,15,6 ± 0,80,4 ± 0,82,9 ± 1,10,0130,0260,060,411,03,2 ± 1,37,8 ± 0,81,6 ± 1,33,5 ± 1,20,0140,0360,210,475,05,5 ± 1,110,7 ± 0,62,2 ± 1,44,0 ± 1,30,0240,0490,2805210,06,2 ± 2,113,6 ± 1,83,0 ± 1,25,1 ± 1,10,0250,0600,280,5315,07,2 ± 2,215,0 ± 1,64,5 ± 1,36,0 ± 1,40,0260,0590,350,52Примечание: в числителе - содержание Pb, Cd в надземной части, в знаменателе - в корне.Согласно классификации рядов КБП, в надземной части проростков Pisum sativum L. при 0,1-1,0% дозах пыли содержание ионов Pb относится к категории очень слабого накопления, а при увеличении дозы от 5,0 до 15,0% пыли - к ка- тегории слабого накопления, содержание ионов Cd во всех указанных дозах от- носится к категории слабого накопления и среднего захвата.Величины Кн в опыте зависели от уровня загрязнения (табл. 4). По величине Кн, рассчитанного для форм соединений, максимальное извлечение приходится на водорастворимую форму, далее уменьшается к обменной и наименьшее еговеличина приходится на кислоторастворимую форму как Pb, так и Cd. Так, в ука- занных дозах пыли значения Кн Pb в надземной части в 1,6-2,1 раза выше, чем в корне, значения Кн Cd - в 3,34-1,33 раза.Таблица 4Кн Pb и Cd проростками Pisum sativum L., в зависимости от внесенной дозы пыли (Kn Pb, Cd and seedlings of Pisum sativum L. depending on the deposited dose of dust)Доза пыли в почве, %Формы соединений PbФормы соединений Cd123123Контроль1,63,00,290,540,130,257,040,01,26,70,84,40,12,64,20,460,750,210,3427,390,05,016,72,58,30,54,911,00,892,00,40,936,4263,65,741,42,014,51,05,313,01,032,50,51,13114,3250,020,043,87,315,95,09,217,81,532,970,741,4110,0200,018,333,37,914,310,08,8619,431,413,80,731,6130,4221,714,324,37,112,115,09,018,751,42,80,731,51112,5150,014,118,757,510,0Примечание: в числителе - содержание Pb и Cd в надземной части, в знаменателе - в корне.Вынос химических элементов изучаемой тест-культурой объективно отража- ет способность данного металла к биологической трансформации. Вынос Pb и Cd надземными органами проростков Pisum sativum L. при внесении 0,1% пыли в почву составил 0,02 и 0,004 мг/сосуд, при 0,5% - 0,04 и 0,006 мг/сосуд, при1,0% - 0,06 и 0,03 мг/сосуд, при 5,0% - 0,1 и 0,04 мг/сосуд, при 10,0% - 0,11 и0,05 мг/сосуд и при 15,0% - 0,13 и 0,08 мг/сосуд соответственно, что в 1,8 и 4,4;3,6 и 6; 5,5 и 30; 9,1 и 40; 10 и 50; 11,8 и 80 раз больше по сравнению с контроль-ным вариантом (0,011 и 0,001 мг/сосуд).ВыводыПри внесении пыли в почву в дозах 0,1-15,0% резкого возрастания валового содержания Pb и Cd в почве не наблюдали.Накопление Pb и Cd опытными проростками носит акропетальный характер.Фитотоксический эффект не наблюдали, так как биомасса увеличивалась по сравнению с контрольным опытом на 36,3 %.Вынос Pb и Cd при внесении пыли в почву в дозах 0,1-15,0% увеличивался в 1,8 и 4,4; 3,6 и 6; 5,5 и 30; 9,1 и 40; 10 и 50; 11,8 и 80 раз по сравнению с контроль- ным опытом.

Об авторах

Данара Аскаровна Аскарова

Автор, ответственный за переписку.
Email: danara.84@mail.ru

соискатель

Список литературы