Оценка изменения содержания токсичных элементов (Pb, As, Hg, Cd) в надземной части пшеницы Triticum vulgare Vill под воздействием вносимой в почву водной суспензии гуминовых кислот с различными формами железа

Полный текст

Введение Железо является необходимым для растений элементом, оно входит в состав дыхательных ферментов, участвует в окислительно-восстановительных процессах. В растение поступает через корни преимущественно в виде Fe2+. Недостаток железа приводит к ослаблению роста растений и снижению их урожайности. Дефицит железа является проблемой для многих сельскохозяйственных культур, поскольку большая часть окультуренных почв отличается низким содержанием доступных для растений форм железа [1]. Кроме того, недостаточное поступление железа может привести к микроэлементозу, накоплению токсичных элементов в растениях, так как в результате загрязнения окружающей среды в почвах сельскохозяйственного назначения накапливаются токсичные элементы (мышьяк, кадмий, ртуть, свинец и др.), что в свою очередь приведет к снижению качества производимой сельскохозяйственной продукции и впоследствии повлечет накопление токсичных веществ в организме человека и животных [2]. Использование железа в ионном виде при железистой недостаточности не приводит к ожидаемому биологическому эффекту, так как оно быстро переходит в окисленную форму, недоступную для растений, и образует комплексы и хелаты с органическим веществом почвы [1]. Перспективным является использование нанопорошков железа, оксидов железа в качестве биостимуляторов роста сельскохозяйственных растений [3-10]. Эффективность их использования объясняется не только малыми размерами частиц, которые способны проникать через биологические мембраны, но и тем, что в состав входит биогенный элемент, который участвует в окислительно-восстановительных процессах и процессах элементного баланса [5]. Однако особые свойства наночастиц могут усиливать механизмы, связанные с токсичным действием на живые организмы, приводить к микроэлементозам и оказывать негативное влияние на окружающую среду [3; 6; 11; 12]. Реакция растений как на токсическое воздействие железа, так и на его недостаточность весьма изменчива и зависит от генотипа и вида [13]. Таким образом, влияние нанопорошков железа, оксидов железа на элементный состав сельскохозяйственных растений, а также взаимодействие этих частиц с природными сорбентами - гуминовыми кислотами, которые контролируют биодоступность и транспорт элементов в природных объектах, требует тщательного изучения. Целью исследования является оценка изменения содержания токсичных элементов (Pb, As, Hg, Cd) в надземной части пшеницы Triticum vulgare Vill под воздействием вносимой в почву водной суспензии гуминовых кислот с различными формами железа. Материалы и методы Семена пшеницы Triticum vulgare Vill, не обработанные протравителями, помещали в пластиковые контейнеры с почвой (чернозем южный) по 30 шт. на глубину 2-3 см и расстоянии 2 см друг от друга. Почву с семенами однократно поливали водными растворами железа с различными концентрациями и гуминовыми кислотами (10 мл с концентрацией 1 г/л) в таком количестве, чтобы общая влагоемкость почвы составляла 75 %. Контейнеры взвешивались и по мере высыхания почвы поливались дистиллированной водой до прежней массы. При проведении исследования (Институт энергетических проблем химической физики РАН, Россия) использовали водные растворы сферических наночастиц железа Fe0 (диаметром 80 ± 5 нм), сульфата железа (II) и сульфата железа (III), а также водные растворы синтезированных наночастиц магнетита Fe3O4, которые имеют слегка сплющенную шарообразную форму шириной от 50 до 80 нм и высотой от 4 до 10 нм [16]. Гуминовые кислоты были выделены из бурого угля Тюльганского месторождения [17]. Суспензию растворов наноформ железа готовили, растворяя определенную навеску в дистиллированной воде и обрабатывая их ультразвуком в течение 15 минут. Более разбавленные растворы наноформ железа получали разбавлением дистиллированной водой. Концентрация приготовленных таким образом растворов составляла 0,0001, 0,001 и 0,01 г/л по железу. Водные растворы ионных форм железа с концентрациями 0,0001 и 0,001 г/л по железу готовили аналогично, растворяя определенную навеску соли в дистиллированной воде с последующей обработкой ультразвуком в течение 15 минут. Контрольные образцы растений выращивали в почве (чернозем южный) без добавления железа. Подготовленные таким образом опытные и контрольные пробы оставляли при комнатной температуре на проращивание. Повторность опыта - трехкратная. Определение токсичных элементов в надземной части растений проводили на двадцать первые сутки эксперимента, так как к этому времени заканчивается критический период фазы всходов пшеницы в нормальных условиях. Именно в этот период в жизни растений недостаток или избыток элементов питания приводит к необратимым физиолого-биохимическим и морфологическим изменениям [16; 17]. Содержание мышьяка, свинца, кадмия и ртути определяли в ООО «Микронутриенты» (г. Москва, лицензия ЛО-77-01-006064) методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП - МС) на квадрупольном массспектрометре Nexion 300D (Perkin Elmer, США). Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Microsoft Excel. Результаты исследований и обсуждение При изучении динамики изменения токсичных элементов в побеговой части растения пшеницы Triticum vulgare Vill при воздействии водной суспензии наночастиц железа Fe0 с различными концентрациями установлено, что изменение количества свинца и мышьяка колеблется в пределах погрешности (рис. 1). Химический анализ на содержание ртути и кадмия (рис. 2) в надземной части растения пшеницы в зависимости от концентрации наноформ железа Fe0 показал, что суммарное количество ртути и кадмия остается постоянным 0,163 ± 0,015 мкг/г, причем сильно разбавленные растворы наночастиц железа способствуют уменьшению количества ртути на такое количество, на которое увеличивается содержание кадмия, т.е. наблюдается процесс вытеснения ртути кадмием. Что в принципе неплохо, так как кадмий менее токсичен, чем ртуть [18], и многие авторы отмечают его положительное влияние на физиологические функции некоторых растений [1]. Такая конкуренция связана с идентичностью геометрии ионов кадмия и ртути и участков локализованного в мембране переносчика. Рис. 1. Зависимость содержания токсичных элементов в надземной части растения пшеницы Triticum vulgare Vill от концентрации водного раствора наночастиц железа Fe0, вносимого в почву [Figure 1. Dependence of the content of toxic elements in the over ground part of the wheat plant Triticum vulgare Vill on the concentration of aqueous solution of iron nanoparticles Fe0, introduced into the soil] Рис. 2. Изменение содержания ртути и кадмия в надземной части растения пшеницы в зависимости от концентрации наноформ железа Fe0 [Figure 2. Change of content of mercury and cadmium in the over ground part of a plant of wheat depending on concentration of nanoform of iron Fe0] Таким образом, наименьшее количество рассматриваемых токсичных элементов в надземной части растения пшеницы Triticum vulgare Vill наблюдается под воздействием водной суспензии наночастиц железа Fe0 с концентрацией 0,01 г/л. Количество кадмия в этом опыте уменьшается на 30 % по сравнению с контролем, содержание остальных токсичных элементов (свинца, мышьяка и ртути) не превышает их количества в контрольном образце. Внесение в почву различных концентраций водной суспензии нанопорошка магнетита Fe3O4 с гуминовыми кислотами приводит к изменению содержания всех четырех токсичных элементов в надземной части растения пшеницы Triticum vulgare Vill (рис. 3). Рис. 3. Зависимость содержания токсичных элементов в надземной части растения пшеницы Triticum vulgare Vill от концентрации водного раствора наночастиц магнетита Fe3O4, вносимого в почву [Figure 3. Dependence of maintenance of toxic elements in the over ground part of a plant of Triticum vulgare Vill wheat from concentration of water solution of nanoparticles of the Fe3O4 magnetite brought in the soil] Концентрация магнетита 0,001 г/л приводит к минимальному поглощению свинца (0,032 ± 0,003 мкг/г). Данное количество свинца на 25 % меньше по сравнению с контрольным опытом. Количество мышьяка в побеговой части растения пшеницы при увеличении концентрации наночастиц магнетита постепенно снижается, однако уменьшение концентрации данного токсичного элемента не превышает пределы погрешности эксперимента (10 %). Зависимость изменения количества ртути под воздействием различных концентраций наночастиц магнетита аналогична изменению содержания свинца. Максимальное снижение ртути (0,046 ± 0,005 мкг/г) по сравнению с контролем на 40 % (0,082 ± 0,001 мкг/г) наблюдается в опытах с наночастицами магнетита при концентрации 0,001 г/л. Полив различными концентрациями наночастиц магнетита приводит к тому, что суммарное содержание ртути и кадмия остается постоянным 0,173 ± 0,001 мкг/г, как и в случае полива наночастицами железа. Установлено, что при невысоких концентрациях наночастиц магнетита кадмий вытесняет ртуть. Таким образом, наилучший результат по снижению токсичных элементов при поливе водной суспензией наночастиц магнетита наблюдается в опытах с концентрацией 0,001 г/л. В этом случае количество свинца снижается на 25 %, количество мышьяка остается постоянным относительно контроля, сумма кадмия и ртути не изменяется, но содержание более токсичного элемента ртути снижается на 40 %. Наилучший результат по снижению количества токсичных элементов в пшенице при использовании двухвалентной ионной формы железа (FeSO4·7Н2О) наблюдается при концентрации по железу 0,001 г/л (рис. 4). В этом опыте концентрация свинца уменьшается на 26 %, мышьяка на 28 %, ртути на 10 % и кадмия на 11 %. Снижение содержания ртути и кадмия незначительно и находится в пределах погрешности опыта, однако стоит отметить положительную тенденцию на уменьшение накопления данных токсичных элементов в побеговой части растения. Рис. 4. Зависимость содержания токсичных элементов в надземной части растения пшеницы Triticum vulgare Vill от концентрации водного раствора ионов железа Fe2+, вносимого в почву в виде сульфата железа (II) [Figure 4. Dependence of the content of toxic elements in the aboveground part of the wheat plant Triticum vulgare Vill on the concentration of the aqueous solution of iron ions Fe2+, introduced into the soil in the form of ferrous sulfate (II)] Однократный полив водным раствором трехвалентного железа (Fe2(SO4)3·8Н2О) с концентрацией по железу 0,0001 г/л приводит к минимальному накоплению всех четырех токсичных элементов в пшенице по сравнению с контрольным значением (рис. 5). Содержание свинца снижается на 46 %, мышьяка на 12 %, ртути на 27 % и кадмия на 42 % по сравнению с контролем. Общая картина по накоплению токсичных элементов в надземной части пшеницы, выращенной в почве с добавлением гуминовых кислот под влиянием различных форм и концентраций железа относительно контроля, приведена в таблице. Отрицательные значения в таблице соответствуют снижению токсичных элементов в побегах пшеницы, жирный шрифт соответствует увеличению этих элементов более чем на 10 % относительно контроля. Анализ данных таблицы показал следующее: · общее содержание токсичных элементов в побеговой части пшеницы, выращенной в почве с добавлением гуминовых кислот под влиянием различных форм и концентраций железа, снижается во всех рассмотренных случаях; · наибольшее снижение содержания токсичных элементов наблюдается при поливе сульфатом железа (III) с концентрацией по железу 0,001 г/л; · только трехвалентное железо уменьшает концентрацию всех четырех токсичных элементов; · активнее из всех элементов на внесение железа реагирует свинец, потом мышьяк и ртуть; · под воздействием наночастиц железа и магнетита наблюдается процесс замещения более токсичной ртути менее токсичным кадмием при постоянном их суммарном количестве. Рис. 5. Зависимость содержания токсичных элементов в надземной части растения пшеницы Triticum vulgare Vill от концентрации водного раствора ионов железа Fe3+, вносимого в почву в виде сульфата железа (III) [Figure 5. Dependence of the content of toxic elements in the aboveground part of the wheat plant Triticum vulgare Vill on the concentration of the aqueous solution of iron ions Fe3+, introduced into the soil in the form of ferric sulfate (III)] Таблица/Table Влияние форм и концентраций железа (г/л) на накопление токсичных элементов в побеговой части растения пшеницы Triticum vulgare Vill относительно контрольного опыта (%) [Influence of forms and concentration of iron (g/l) on accumulation of toxic elements in the aboveground part of a plant of wheat Tritium vulgare Vill of rather check experiment (%)] Элемент, мкг/г [Element, μg/g] Fe0 Fe3О4 Fe2+ Fe3+ 0,0001 0,001 0,01 0,0001 0,001 0,01 0,0001 0,001 0,0001 0,001 Pb 2 -13 -9 -17 -41 9 -15 -26 -46 -35 As 3 10 -13 5 -12 -14 10 -28 -12 0 Hg -28 -27 -5 -12 -44 -1 -22 -10 -27 -32 Cd 12 26 -30 10 41 2 24 -11 -42 7 Σ, мкг/г [Σ, μg/g] -11 -4 -57 -14 -56 -4 -3 -75 -127 -60 Использование разбавленных растворов водной суспензии наночастиц железа Fe0 приводит к накоплению токсичных элементов (мышьяка, кадмия), увеличение концентрации до 0,01 г/л приводит к положительной тенденции по снижению концентрации этих элементов в побеговой части растения. Этот факт можно объяснить следующим: 1. электронейтральность наночастиц железа Fe0 снижает количество поступления железа и, как следствие, накопление замещающих элементов - синергистов; 2. часть наночастиц, вступая в сложные физико-химические процессы с компонентами почвы, становится недоступной для растения. И наоборот, использование разбавленных растворов водной суспензии наночастиц магнетита приводит к наилучшему результату по снижению токсичных элементов, потому что в состав магнетита входит двухи трехвалентное железо, которое легче поглощается растениями. Из ионных форм железа наибольшим положительным эффектом по снижению токсичных элементов обладает трехвалентное железо в виде сульфата, хотя в растение оно поступает в виде двухвалентного соединения [1]. Возможно, трехвалентное железо образует более прочный комплекс с гуминовыми кислотами, чем двухвалентное, и представляет собой важный резерв доступных соединений этого металла для растений. Заключение Максимальное снижение токсичных элементов (свинца, мышьяка, ртути и кадмия) в побеговой части растения наблюдается при однократном поливе пшеницы Triticum vulgare Vill трехвалентным сульфатом железа с концентрацией 0,0001 г/л.

Об авторах

Елена Александровна Осипова

Оренбургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kudryavceva.elen@mail.ru

старший преподаватель кафедры химии Оренбургского государственного университета

Российская Федерация, Оренбургская обл., 460018, Оренбург, просп. Победы, 13

Святослав Валерьевич Лебедев

Оренбургский государственный университет; Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства

Email: lsv74@list.ru

заместитель директора Всероссийского научно-исследовательского института мясного скотоводства, доктор биологических наук

Российская Федерация, Оренбургская обл., 460018, Оренбург, просп. Победы, 13; Российская Федерация, Оренбургская обл., 460000, Оренбург, ул. 9 Января, 29

Ольга Николаевна Каныгина

Оренбургский государственный университет

Email: onkan@mail.ru

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры химии Оренбургского государственного университета

Российская Федерация, Оренбургская обл., 460018, Оренбург, просп. Победы, 13

Анастасия Михайловна Короткова

Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства

Email: anastasiaporv@mail.ru

кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории биологических испытаний и экспертиз Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий Российской академии наук

Российская Федерация, Оренбургская обл., 460000, Оренбург, ул. 9 Января, 29

Список литературы