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

Полный текст

Введение Естественное содержание тяжелых металлов (ТМ) в окружающей среде, как правило, сбалансировано, а основной причиной их концентрационных изменений является деятельность человека. Антропогенные изменения биоты, выз- ванные ускорением темпов индустриализации и интенсивным развитием сельского хозяйства, урбанизацией, влекут за собой широкий спектр глобальных экологически опасных явлений [1; 2]. В регионах с развитыми промышленным и сельскохозяйственным производствами резко возрастает вероятность загрязнения воздуха, воды и почвы по причине избыточного количества ТМ [3]. В частности, поглощение и накопление ТМ в растениях проявляется в заражении пищевых цепей, почвы, водных ресурсов и негативном влиянии на окружающую атмосферу [4; 5]. Накопление ТМ в почве, вещества которой попадают в растение вместе с водой, изменяет ее физико-химические свойства [6]. Данный факт является важной экологической проблемой, поскольку многие из этих элементов стабильны и являются биоаккумулятивными, а оценка их безопасных концентраций очень сложна в экосистеме. Для нормального роста и развития растений необходима поддержка на физиологически приемлемом уровне определенного водного баланса, что в дальнейшем будет способствовать выработке у растений механизмов устойчивости к стресс-факторам внешней среды [7]. Известно, что концентрация ТМ в почве может достичь такого уровня, который в результате приведет к осмотическому шоку внутри растительного организма [8]. Но корневая система растения призвана регулировать поступление в нее воды, которая может быть насыщена различными ТМ. Очевидно, что важную роль в жизнедеятельности растений и формировании их продуктивности играет водный обмен. В свою очередь, нарушение водного обмена, наблюдаемое в присутствии высоких концентраций ТМ, отрицательно сказывается на большинстве физиологических процессов у растений [9]. Цель исследования заключалась в сравнительной оценке накопительной способности ряда ТМ с учетом индекса геоаккумуляции в системе «почва - растение» и транспирации листьев растения-индикатора при засухе. Материалы и методы В качестве биологического объекта в экспериментах использовалась полузубовидная сахарная кукуруза армянской популяции (Zea mays L.), выращенная на опытных площадках вблизи рек Дебет (Одзун - 41°03′06″ с. ш. 44°36′55″ в. д.), Шнох (Шнох - 41°08′52″ с. ш. 44°50′16″ в. д., Техут - 41°07′05″ с. ш., 44°50′45″ в. д.) и Аракс (Ушакерт - 40°04′52″ с. ш. 43°55′35″ в. д.). Подготовка образцов почвы. Образцы почвы при сухих погодных условиях отбирались методом конвертирования с глубины произрастания корневой системы исследуемого растения, которая в среднем не превышала 120 см. Отбор точечных проб осуществлялся с помощью не содержащих металл инструментов. Объединенная проба подготавливалась путем смешивания точечных проб - не менее пяти точечных проб, взятых из одной пробной площадки. После образцы помещались в темные стеклянные контейнеры и транспортировались при температуре +4 °C для лабораторных (инструментальных) измерений в течение 24 ч. После очистки от остатков корневой системы, насекомых и других твердых составляющих почва растиралась в ступне с пестиком и просеивалась через сито с диаметром отверстий не более 1 мм. Подготовка образцов растения (зерна кукурузы). Созревшие зерна кукурузы сушились методом воздушно-сухой сушки в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при комнатной температуре. Для озоления растительный материал помещался в муфельную печь с использованием предварительно прокаленных фарфоровых чашек при температуре +400 °C не более чем на 1 ч. Затем образцы сухого остатка (зола) помещались в эксикатор для дальнейших инструментальных измерений. Измерение концентрации химических элементов. Подготовленные образцы (зола зерен кукурузы и почва) помещались в специальные пластмассовые трубки XRF Sample Cups диаметром 32 мм, на дно которых заранее вставлялась специальная полипропиленовая пленка. В верхнюю часть образца вставлялись специальные уплотнители, после чего его закрывали крышкой, спрессовав до нужного состояния. Исследование осуществлялось с помощью портативного анализатора Thermo Scientific Niton XRF Portable Analyser путем направления Х-лучей непосредственно на образец в течение 210 с [10]. Расчет индекса геоаккумуляции. Для количественной оценки степени загрязнения был рассчитан индекс геоаккумуляции (Igeo): geo = log2 (п / 1,5 х п ), (1) где Cn - концентрация тяжелого металла в образце, мг/кг; Bn - геохимическое фоновое значение (медиана) для каждого типа почв согласно [11], мг/кг. Степень загрязненности почв оценивалась по шкале Мюллера [12], согласно которой значения Igeo ≤ 0 соответствуют I классу (практически незагрязненный фон); 0 < Igeo < 1 - II классу (незагрязненный до умеренного); 1 ≤ Igeo ≤ 2 - III классу (умеренно загрязненный); 2 ≤ Igeo < 3 - IV классу (от слегка загрязненного до сильного); 3 ≤ Igeo < 4 - V классу (сильно загрязненный); 4 ≤ Igeo < 5 - VI классу (от сильно загрязненного до экстремального); Igeo ≥ 5 - VII классу (очень сильно загрязненный). Моделирование засухи и определение интенсивности транспирации. Моделирование засухи осуществлялось в климатической комнате со специально оборудованной системой кондиционирования (см. рисунок). В контрольных вазонах на протяжении всего эксперимента оптимальная относительная влажность почвы (ОВП), поддерживаемая путем ежедневной поливки, составляла 54 %, при умеренной засухе, создаваемой посредством изменения режима полива, ОВП составляла 43 % (визуально не наблюдалось увядания листьев кукурузы), а при сильной засухе ОВП составляла 34 % (наблюдалось увядание листьев в течение дня) [12]. После статистически достоверного снижения скорости роста пятого листа кукурузы, что заняло 2-2,5 недели, определялось общее содержание влаги в наземной части растения. Для этого срезалась вся наземная часть растения, образцы взвешивались и помещались в термостат при температуре +70 °С на 72 ч до полного испарения влаги. После образцы вынимали из термостата и снова взвешивали с целью определения интенсивности транспирации (Тинт.), численное значение которой вычисляли по формуле инт. = ( - ) х 100/ ( х ), (2) где a - контрольный вес растительного образца до помещения в термостат, г; b - вес растительного образца через 72 ч, г; t - время экспозиции, ч; S - площадь растительного образца, дм2. Для определения последнего использовали методику расчета динамики относительной площади листьев злаковых культур, основанную на использовании стандартной гидрометеорологической информации, согласно которой максимальные значения относительной площади листьев для кукурузы на зерно (S) колеблются в пределах от 2,5 до 3,5 дм2 [13]. Рисунок. Общий вид экспериментальных вазонов перед срезом (2-2,5 недели) (фот о автора) [Figure. General view of experimental pots in behind of harvesting (2-2.5 weeks) (photo by the author)] Статистическая обработка. Все проведенные эксперименты имели 10 биологических и до 5 технических повторностей. Результаты были обработаны с учетом t-критерия Стьюдента при уровне значимости р < 0,05 [14]. При помощи пакета «Анализ данных» программы Microsoft Excel проведено сравнение расчетных величин, которое отражает степень взаимосвязи между Igeo и Тинт. с учетом степени засухи (табл. 1). Расчет коэффициента корреляции между величинами Igeo и Тинт. Таблица 1 Вариант Ушакерт (полупустынная каштановая) Одзун (горный чернозем) Техут (коричневая лесная) Шнох (коричневая лесная) Коэффициент парной корреляции -0,995 -0,994 -0,960 -0,950 Calculation of the correlation between the values Igeo and Tint. Table 1 Variant Hushakert (semi-desert brown soil) Odzun (mountain black soil) Tekhut (brown forest soil) Shogh (brown forest soil) Pair correlation coefficient -0.995 -0.994 -0.960 -0.950 Результаты Фактическим результатом антропогенного воздействия на окружающую среду является накопление ТМ в почве, аккумулирующихся в дальнейшем в растительном организме. Исходя из этого в качестве тест-объекта было выбрано однолетнее растение, так как в этом случае его экологическая память была «чистой», а полученная информация о количественных изменениях ряда ТМ при их миграции в системе «почва - растение» могла служить основой для количественной оценки загрязненности среды на данном этапе. С этой целью были определены численные значения ряда ТМ в образцах почвы и зернах кукурузы, усредненные из пяти анализов. На основании полученных экспериментальных результатов рассчитывался коэффициент геоаккумуляции по формуле (1), что служило основой для классификации исследуемых образцов почвы по степени загрязненности ТМ. Значение коэффициента геоаккумуляции и категории загрязненности почв для некоторых тяжелых металлов Таблица 2 Химический элемент Ушакерт (полупустынная каштановая) Категория загрязненной почвы по классам Одзун (горный чернозем) Категория загрязненной почвы по классам Техут (коричневая лесная) Категория загрязненной почвы по классам Шнох (коричневая лесная) Категория загрязненной почвы по классам Mn 2.392±0.119 IV 0.943±0.109 I 1.346±0.102 III 1.899±0.102 III Cu 2.982±0.128 IV 2.901±0.122 IV 2.105±0.279 IV 5.806±0.279 VII Co 5.849±0.020 VII 5.451±0.093 VII 4.561±0.074 VI 5.603±0.074 VII Zn 7.098±0.503 VII 5.992±0.322 VII 6.363±0.423 VII 8.593±0.423 VII Mo 3.625±0.289 V 3.515±0.087 V 3.195±0.515 V 4.292±0.515 VI The value of the coefficient of geoaccumulation and the category of contaminated soil for some heavy metals Table 2 Chemical elements Hushakert (semi-desert brown soil) Category of contaminated soil by class Odzun (mountain black soil) Category of contaminated soil by class Tekhut (brown forest soil) Category of contaminated soil by class Shogh (brown forest soil) Category of contaminated soil by class Mn 2.392±0.119 IV 0.943±0.109 I 1.346±0.102 III 1.899±0.102 III Cu 2.982±0.128 IV 2.901±0.122 IV 2.105±0.279 IV 5.806±0.279 VII Co 5.849±0.020 VII 5.451±0.093 VII 4.561±0.074 VI 5.603±0.074 VII Zn 7.098±0.503 VII 5.992±0.322 VII 6.363±0.423 VII 8.593±0.423 VII Mo 3.625±0.289 V 3.515±0.087 V 3.195±0.515 V 4.292±0.515 VI Согласно приведенным результатам (табл. 2), образцы почвы из населенного пункта Ушакерт по содержанию Mn, Cu и Mo находились в слегка загрязненном состоянии, а по концентрациям Co и Zn образцы почв оказались сильно загрязненными. Расчет величины Igeo для образцов почв из Одзуна выявил, что среда умеренно загрязнена Cu и Mo, Mn - практически нет. Как и в предыдущем населенном пункте, данные образцы почв оказались сильно загрязнены по концентрациям Co и Zn. Образцы почв из населенного пункта Техут оказались слегка загрязненными Mo, Mn и Cu и сильно загрязненными Co и Zn. Анализ образцов почвы из Шноха указал на их легкую загрязненность Mn, а по содержанию Mo они оказались сильно загрязнены. При этом данные образцы почв произрастания растения были очень сильно загрязнены Cu, Co и Zn. Почва обладает избирательной накопительной способностью к определенным химическим элементам, тем самым провоцируя изменение их накопительной скорости в произрастающей на ней растительности [16]. При этом очевидно, что способность растения проявлять биоиндикационную активность по содержанию ТМ в почве в первую очередь будет определяться состоянием самой почвы произрастания и степенью ее увлажненности [17]. А процессы транспирации в растениях регулируются непосредственно клеточной водой, давление которой заставляет клетку переходить в состояние тургора [18]. Ранее в наших работах было показано влияние водного дефицита на тургор листьев кукурузы [13; 19]. Известно, что вода является основным провайдером большинства химических элементов по корневой системе растений [20]. Избыток ионов ТМ в тканях растений может повлиять на абсорбцию воды из почвы и снизить содержание воды в корнях. Но в этом случае следует различать действие ТМ на перенос воды в растении от их ограниченности в поглощении воды. В почвах с высоким содержанием растворимых солей ТМ осмотический потенциал в почвенном растворе может быть ниже, чем потенциал внутри клетки. В этих условиях резко ограничивается скорость поглощения воды растениями, что приводит к осмотическому стрессу [21]. Предположительно, явление тургора напрямую регулируется количеством растворенных и поступивших в растительную клетку вместе с водой ТМ. Исходя из этого исследовалась зависимость транспирации в условиях засухи. Рассчитанные по формуле (2) данные по интенсивности транспирации для образцов кукуруз, произрастающих в различных почвенно-климатических условиях, представлены в табл. 3. Значение интенсивности транспирации кукурузы в условиях засухи Таблица 3 Место произрастания образцов растения (с указанием почвы произрастания) Интенсивность транспирации, г/дм2•ч Снижение транспирации Контроль (ОВП - 54 %) Умеренная засуха (ОВП - 43 %) Сильная засуха (ОВП - 34 %) Умеренная засуха, % Сильная засуха, % Ушакерт (полупустынная каштановая) 15.957±0.699 12.967±0.573 4.609±0.387 19 71 Одзун (горный чернозем) 23.119±0.285 12.736±0.450 3.625±0.751 45 84 Техут (коричневая лесная) 23.535±0.769 14.139±0.612 4.301±0.348 40 81 Шнох (коричневая лесная) 15.792±0.802 6.011±1.250 2.281±0.632 62 85 The value of the intensity of transpiration of maize in under drought Table 3 Growth place of plant samples (with an indication of soil growth) Intensity of transpiration, g/dm2•h Decrease in the intensity of transpiration Control, (soil water content 54%) Mild drought, (soil water content 43%) Severe drought, (soil water content 34%) Mild drought, % Severe drought, % Hushakert (semi-desert brown soil) 15.957±0.699 12.967±0.573 4.609±0.387 19 71 Odzun (mountain black soil) 23.119±0.285 12.736±0.450 3.625±0.751 45 84 Tekhut (brown forest soil) 23.535±0.769 14.139±0.612 4.301±0.348 40 81 Shogh (brown forest soil) 15.792±0.802 6.011±1.250 2.281±0.632 62 85 Засуха вызывает замедление транспирации для всех исследуемых образцов. Анализ полученных результатов показывает, что усиление засухи замедляет процесс испарения воды с поверхности листьев в связи с уменьшением их размеров, так как при ОВП 34 % визуально наблюдается увядание листьев в течение дня. Но, помимо непосредственного воздействия ТМ на устьица, замедление транспирации может быть связано с уменьшением размеров листьев и корневой системы, а также с нарушением поступления в замыкающие клетки ионов К+ и Са2+ [22]. Далее было определено содержание кальция и калия в спелых зернах кукурузы. Хотя по концентрационным значениям уровень К+ почти на два порядка превышал содержание Са2+, сравнительные ряды по региону произрастания кукурузы имеют схожий вид. Для кальция ряд имеет вид: Ушакерт < Техут < Одзун < Шнох и, соответственно, для К+: Техут < Ушакерт < Одзун < Шнох. Обсуждение Накопительная активность ТМ в растениях определенным образом регулируется интенсивностью адсорбции воды почвой и уменьшением поглощающей активности корневой системы. Повышение содержания ТМ в окружающей среде заметно снижает относительное содержание воды в клетках, что связано с уменьшением числа и диаметра сосудов ксилемы и ситовидных трубок флоэмы [7]. Более того, было выявлено, что дефицит воды в корнях возникает в результате повышения концентрации Cd, Ni и Zn [22]. Обезвоживание растительных тканей в условиях повышенного содержания ТМ может быть связано также со снижением эластичности клеточных стенок сосудов, которое обусловлено частичным замещением ионов кальция ионами ТМ и изменением проницаемости мембран [23; 24]. Согласно полученным результатам, определенный соотношением интенсивности процессов поглощения воды и засухи водный баланс растения зависел не только от климатических условий произрастания - свой вклад вносят почвенные характеристики, в особенности содержание ТМ в почве. Исходя из реакции растения на водный дефицит, который непосредственно отражается на интенсивности транспирации, была дана оценка концентрационным особенностям накопления ТМ по индексу геоаккумуляции (Igeo). Конечно, транспирация характеризует то реальное количество воды, которое участвует в различных метаболических процессах растения. Но всякие межмолекулярные и иные связи уменьшают подвижность молекул, снижая подвижность воды, поэтому ТМ в высоких концентрациях оказывают ярко выраженное негативное воздействие на водный обмен растений в целом [8]. В результате нарушения водообмена листья растений теряют тургор, что отрицательно сказывается в целом на физиологических процессах [10]. Фактически миграция ТМ в системе «почва - растение» с последующим накоплением в растительном организме может способствовать снижению транспирации, особенно в условиях повышенной засухи. Заключение В результате проведенных исследований была определена по категориям степень загрязненности территорий: почти везде отмечается повышенный уровень содержания Mo, Co и Zn, в меньшей степени - Mn и Cu. Моделируемая засуха выявила предрасположенность кукурузы к засухоустойчивости, которая зависела от почвенно-климатических условий произрастания, предопределяя предрасположенность растений к накоплению некоторых ТМ. Выявленные корреляционные различия в накопительной активности ТМ по индексу геоаккумуляции и реакции на засуху имеют обратную сильную связь в зависимости от почвенно-климатических условий произрастания.

Об авторах

Астгик Рафиковна Сукиасян

Национальный политехнический университет Армении

Автор, ответственный за переписку.
Email: sukiasyan.astghik@gmail.com

кандидат биологических наук, доцент факультета химических технологий и природоохранной инженерии

Республика Армения, 0009, Ереван, ул. Терьяна, 105

Список литературы