Влияние обработки семян в постоянном магнитном поле на процессы роста и развития растений и фиторемедиацию ими почвы от катионов меди и свинца

УДК 504.53.06.001.8

Л. Н. Ольшанская, А. С. Халиева, А. А. Кузнецова,

О. В. Титоренко, И. Г. Шайхиев

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕМЯН В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ НА ПРОЦЕССЫ

РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ И ФИТОРЕМЕДИАЦИЮ ИМИ ПОЧВЫ

ОТ КАТИОНОВ МЕДИ И СВИНЦА

Ключевые слова: постоянное магнитное поле, фиторемедиация, почва, тяжелые металлы, извлечение, высшие растения.

Рассмотрены основные проблемы очистки почв методом фиторемедиации. Изучено влияние природы тяжелых металлов, их концентрации и воздействия постоянного магнитного поля с напряженностью 2 кА/м на процессы извлечения высшими растениями (фасоль, листовой салат, соя) тяжелых металлов из загрязненных почв.

Keywords: constant magnetic field, phytoremediation, soil, heavy metals, extraction, higher plants.

The main problems of soil cleaning by method of phytoremediation are investigated. Influence of the nature of heavy metals, their concentrations and the effect of constant magnetic field with a strength of 2 kA/m on processes of extraction of heavy metals by higher plants (beans, lettuce, soybean) contaminated soils are studied.

Введение

Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники: отходы металлообрабатывающей промышленности; промышленные выбросы; продукты сгорания топлива; автомобильные выхлопы отработанных газов; средства химизации сельского хозяйства. Техногенное поступление металлов в почву и закрепление их в гумусовых горизонтах в почвенном профиле очень неравномерно, данное обстоятельство связано с плотностью населения. Если считать эту связь пропорциональной, то ~37 % всех металлов будет рассеяно лишь на 2 % обитаемой суши [1].

До тех пор, пока тяжелые металлы прочно связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их отрицательное влияние на почву и окружающую среду будет незначительным. Однако, если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения воды, почвы, возникает вероятность проникновения их в растения, а также в организм человека [1].

Вопрос извлечения тяжелых металлов и очистки от них биосферных комплексов сложен, для этих целей применяются различные сорбенты [2, 3]. Способ фиторемедиации для удаления металлов за счет их аккумуляции растениями является альтернативой существующим методам восстановления почв (экскавация, промывка) в частности, вследствие малых затрат [4].

Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк) и др. Особенно эффективными следует считать фиторемедиационные технологии при оздоровлении почв на больших площадях, когда из почвы происходит постепенное извлечение токсичных соединений, как растениями, так и микроорганизмами, и при этом не нарушается структура почвы и состав ризосферных микроорганизмов. Однолетние

и многолетние растения довольно часто, обладая способностью усваивать вместе с другими питательными компонентами и тяжелые металлы, транспортируют их в надземные органы, очищая, таким образом, от токсикантов почву и водоемы. Некоторые растения по отношению к тяжелым металлам характеризуются супераккумулирующими свойствами. Например, сарептская горчица способна накапливать в клетках и межклеточном пространстие, в расчете на сухую массу, от 1 до 1,7 % цинка [5]. Растения из семейства крестоцветных собирают в листьях до 1 % никеля. Названные и ряд других данных, однозначно указывающих на способность растений накапливать металлы в особо больших концентрациях, и стали основой для создания современных экологических фитотехнологий.

В США на фиторемедиацию тратится 100-150 млн. $ в год, что составляет 0,5 % всех затрат на очистку окружающей среды и эти затраты в последние годы непрерывно растут. В Европе фиторемедиация не имеет широкого применения, однако ситуация может измениться в ближайшее время в связи с повышением к ней интереса и быстрым ростом финансирования исследований в этой области, а также из-за наличия большого количества загрязнённых районов на территории Евросоюза. Фиторемедиация может получить широкое применение и в развивающихся странах вследствие низкой стоимости и простоты применения [6].

Целью настоящей работы явилось изучение влияния длительности воздействия постоянного магнитного поля (ИМИ) с напряженностью Н = 2 кА/м на процессы роста и развития растений - фи-торемедиантов (листовой салат, фасоль и соя) и извлечения ими ионов свинца и меди (концентраций 5, 10, 15 и 20 ПДК в почве) из загрязненных почв.

Экспериментальные данные и их обсуждение

Выбор трех видов растений - фитомелиорантов, два из которых относятся к семейству бобовых (фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris) и соя

(Glycine max)) и один вид - к семейству крестоцветных (листовой салат (Lactuca sativum)) обусловлен тем, что для фиторемедиации обычно используют две группы растений: высокопродуктивные культуры (фасоль, соя, кукуруза сахарная (Zea тays), горчица сарептская (Brassica juncea) и др.) и растения -гипераккумуляторы (листовой салат, ярутка лесная (Thlaspi caerulescens), алиссум вульфена (Лу^т wulfenianuт) и др.). Мнение ученых неоднозначно в вопросе важности для фиторемедиации гиперакку-мулировать или продуцировать значительную фитомассу растениями [7, 8].

Модельные растворы готовили из навесок солей тяжелых металлов (ТМ) и государственных стандартных образцов. Массу навески рассчитывали по ГОСТ 4212-76 «Методы приготовления растворов для колориметрического и нефелометрического анализа» [9] в соответствии с формулой:

тх

где М- молекулярная масса реактива; тг атомная масса элемента или масса иона в приготавливаемом растворе; С - требуемая концентрация, мг/л.

Приготовление растворов, содержащих катионы тяжелых металлов, осуществляли растворением соответствующего количества соли (табл. 1) в 100 мл воды.

Таблица І - Приготовление растворов солей тяжелых металлов

Модельный раствор Сн, начальная концентрация ионов в почве Количество, г соли

ИДК мг/кг

CuSO4 • 5H2O 5 15 0,0585

10 30 0,1170

15 45 0,1755

20 б0 0,2340

Pb(NO3)2 5 30 0,0480

10 б0 0,09б

15 90 0,1440

20 120 0,1920

*Общесанитарная предельно-допустимая концентрация (ИДК) в почве: меди - 3 мг/кг, свинца - б мг/кг [10].

Для проведения эксперимента отбиралась почва с условно чистой загородной территории из пахотного слоя, которая помещалась в деревянные ящики с ячейками в каждую ячейку по 1 кг и заливалась водными растворами солей с различной концентрацией ионов тяжелых металлов (ИТМ).

Одновременно с действием тяжелых металлов изучали воздействие ПМП на ускорение процессов роста и развития растений и фиторемедиацию ими почвы. Для этого сухие семена фасоли, сои и листового салата помещали в ПМП с Н = 2 мА/м на

1, 6 и 24 часа. В каждую ячейку высаживали по 10 семян на глубину 1-2 см. За процессом роста растений наблюдали в течение 28 дней. Повторные поливы производились через 2-3 дня, по мере высыхания почвы. Фенологические наблюдения и измерения

роста растений производилось через 1 неделю по общепринятым методикам [11]. Прирост растений определялся по высоте надземной части.

Анализ полученных данных позволил установить, что присутствие в почве ионов РЬ2+ задерживает всхожесть семян фасоли и сои. Лишь к 18-22 дню эксперимента всходило 10 семян (100 %) фасоли и 7-8 семян сои после воздействия ПМП в течение 1 и 6 часов. Всхожесть семян листового салата в этих условиях была еще ниже - 4-5 штук.

В этих условиях на почвах, содержащих ионы Си2+, всхожесть семян фасоли и сои достигала 90100 % уже на 11 день эксперимента, а для салата - на 15 день. Данное обстоятельство связано с тем, что бобовые обладают важной биологической особенностью - персистентностью, то есть способностью противостоять поступлению в наземную часть токсичных веществ, в том числе и ТМ за счет их иммобилизации в корневой системе [12]. Необходимо отметить, что все всходы салата погибли к 25 дню, то есть за 3 дня до окончания эксперимента. Токсическое действие избытка меди может быть связано с инактивацией ферментов растений. Образующиеся металлорганические соединения негативно влияют на прирост биомассы растений вследствие нарушения процесса фотосинтеза [13].

Изучено влияние концентрации ИТМ и времени воздействия ПМП с Н = 2 кА/м на высоту исследуемых растений. Установлено, что облучение семян фасоли при малых концентрациях ионов РЬ2+ отрицательно влияют на рост и развитие растений. Фитомасса увеличивается лишь при концентрациях ионов свинца в очищаемой почве (15 и 20 ПДК), но и в этом случае растения фасоли отстают по параметрам длины листьев и высоты растений от контрольного образца, и наблюдается их незначительное увеличение в эксперименте без облучения семян магнитным полем [12].

В опыте с почвой, загрязненной ионами Си2+, наблюдалась другая тенденция. Растения фасоли, семена которых подвергались облучению в ПМП с напряженностью 2 кА/м, достигали более высоких показателей роста по сравнению с растениями, как в контрольном эксперименте, так и в эксперименте без предварительного облучения семян. Так как фасоль не относится к группе растений-гипераккумулянтов, то высота растений, а, следовательно, и их фитомасса прямо пропорционально зависит от накопления в ней ионов биогенных элементов, к которым относится медь.

Отбор и подготовка проб почв для определения в ней остаточных концентраций ИТМ проводилась по ГОСТ 17.4.3.01-83 [14]. Полученную пробу разравнивали слоем 1-1,5 см и отбирали среднюю пробу методом квартования. Для проведения анализа готовились две-три параллельные пробы.

Навеску почвы массой 2±0,01 г помещали в реакционную емкость, равномерно смачивали несколькими каплями дистиллированной воды, добавляли 4-6 см3 концентрированной азотной кислоты и выдерживали при комнатной температуре 30-40 минут, после чего в реакционную емкость добавлялось 4-6 см3 концентрированной перекиси водорода. Полученный минерализат из реакционной емкости количественно

переносился в мерную колбу вместимостью 25 см3 через бумажный фильтр, предварительно промытый горячей бидистиллированной водой. Осадок кремниевой кислоты промывался на фильтре несколькими порциями бидистиллированной воды, после чего содержимое колбы доводилось до метки бидистиллятом и перемешивалось. Минерализат объемом 5 см3 переносился в фарфоровую чашку вместимостью 25 -50 см3 и упаривался, не допуская разбрызгивания, до удаления паров азотной кислоты (влажных солей). После охлаждения содержимое чашки растворялось в 1 см3 1 М НС1. Для улучшения растворения влажных солей чашку подогревали на водяной бане. Содержимое чашки с фоновым раствором количественно переносилось в мерную пробирку вместимостью 25 см3 и доводилось им же до метки. Полученный раствор анализировался на содержание остаточных концентраций металлов на роботизированном комплексе «Экспертиза ВА-2Б» с электродом «3 в 1». Определение концентраций проводилось по методу добавок стандартного раствора исследуемого металла. Данный метод включает регистрацию вольтамперограмм при одних и тех же параметрах измерений для серии следующих растворов: раствора холостой пробы, раствора анализируемой пробы и раствора анализируемой пробы с добавками стандартных растворов измеряемых элементов. Содержание ионов металла в анализируемом растворе пробы рассчитывалось по величинам аналитических сигналов вольтамперограмм анализируемого раствора пробы и анализируемого раствора пробы с добавками стандартных растворов металлов.

Анализ результатов по величинам эффективности (Эоч, %) очистки почв от ионов свинца и меди растениями - фитомелиорантами, семена которых были обработаны в магнитном поле ПМП с Н=2 кА/м в течение различного времени, представлены на рис.1 и в таблице 2.

Эоч= {(Сн - Ск) / Сн}-100, %

где Сн и Ск, - начальная и конечная концентрация поллютанта в почве, мг/кг.

Показано (рис. 1), что лучшую эффективность очистки почв от ионов свинца показали растения фасоли. При этом следует отметить, что при низких концентрациях ионов РЬ2+ (5 ПДК) с увеличением времени облучения семян в ПМП с напряженностью 2 кА/м эффективность очистки почв растениями фасоли снижалась.

С повышением концентрации ионов РЬ2+ в почве, эффективность очистки почв растениями фасоли повышалась с увеличением длительности облучения семян. Фасоль проявляла лучшую эффективность очистки при концентрации свинца в почве 10 ПДК и 24 часовом облучении семян.

У растений листового салата наблюдается та же тенденция, что и у растений фасоли. Лучше всего листовой салат извлекает свинец из загрязненной почвы при концентрации ионов РЬ2+ в ней 10 и 15 ПДК.

Наибольшая эффективность очистки почв растениями листового салата достигается при концентрации свинца 10 ПДК и 24 часового времени облучения семян.

Э, % 100 95 90 85 80

0

10

20

-5 ПДК -10 ПДК -15 ПДК •20 ПДК

30 ПМП, час

Рис. 1 - Влияние концентрации ионов свинца и длительности воздействия ПМП с Н=2 кА/м на эффективность очистки почвы высшими растениями: а - листовой салат, б - фасоль, в - соя; г -сравнительные данные по эффективности очистки почвы растениями от ионов свинца

б

г

У растений сои отмечалось увеличение эффективности очистки почв с увеличением времени облучения ее семян ПМП. Наибольшая эффективность очистки почв растениями сои, как в случае и с листовым салатом, достигается при концентрации свинца 20 ПДК и 24 часового облучения семян.

При любых из исследуемых концентраций ионов РЬ2+, эффективность очистки почвы без предварительного облучения семян в ПМП гораздо ниже, чем при облучении, что доказывает положительное влияние воздействия последнего напряженностью 2 мА/м на процесс фиторемедиации почв загрязненных ионами свинца. Нужно отметить, что при небольших концентрациях ионов РЬ(11) в очищаемых почвах, рекомендуемое время облучения семян - 1 час, напротив, если почвы сильно загрязнены, то и время лучше увеличить до 24 часов.

Таблица 2 - Результаты анализа почв по извлечению катионов Си+2 растениями (и ризосферными микроорганизмами) в течение 28 дней при различной длительности воздействия на семена ПМП с Н=2 кА/м

Показано (табл. 2), что эффективность очистки почв от ионов Си2+ с помощью растений сои снижается с увеличением времени облучения ее семян, хотя и незначительно. Данный факт свидетельствует о том, что для эффективной очистки почв от ионов меди с помощью растений сои не обязательно применять длительное время облучения семян, хороших результатов можно добиться при облучении в течение 1 часа.

Для растений фасоли наблюдается обратная тенденция, особенно это заметно при концентрациях 15 и 20 ПДК ионов Си2+ в почве.

Эффективность очистки почв с помощью растений листового салата колеблется в районе ~ 84-88 % при концентрации ионов меди в почве - от 5 до 15 ПДК для любого времени воздействия на семена магнитным полем. При концентрации 20 ПДК ионов Си2+ в почве наблюдается увеличение эффектив-

ности очистки почвы с ростом времени облучения семян ПМП до 24 ч.

Эффективность очистки почв от ионов меди с помощью растений фасоли без предварительного облучения семян ПМП (см. К* табл. 2), гораздо ниже, по сравнению с облученными растениями, что доказывает положительное влияние ПМП на растения и процесс фиторемедиации почв, загрязненных ионами Си2+, с помощью растений фасоли. Для растений фасоли достигалось наиболее полное извлечение меди при всех временах воздействия ПМП (Э ~ 87-97 %).

Сравнение результатов по эффективности очистки почв от катионов свинца и меди указывает, что по ионам меди она оказалась ниже, чем для более токсичных ионов свинца. Данное обстоятельство свидетельствует об избирательности фитомелиорантов: медь, принимает участие в жизненно важных биохимических процессах в клетках растений, и поэтому, как было показано ранее [10], ее концентрация в фитомассе растением «отслеживается и контролируется».

Выводы

1. Проведенные исследования по изучению совместного влияния ПМП с Н=2 кА/м и ионов тяжелых металлов на ускорение роста и развития растений листового салата, фасоли и сои показали, что с увеличением концентрация ИТМ в почве, сильнее проявляется их токсическое действие. При высоких концентрациях тяжелых металлов растения имели худшую всхожесть, и с увеличением длительности эксперимента погибали (на 24-26 день). Постоянное магнитное поле оказывает благоприятное влияние на растения.

2. По результатам эксперимента, можно отметить, что для лучшего усвоения ионов меди растениями фасоли, их семена необходимо обрабатывать в течение 1 и 6 часов в ПМП с Н=2 кА/м, что не так важно для поглощения ионов свинца, при действии которых фитомасса растений, растущих на загрязненной свинцом почве незначительно увеличивается за счет облучения семян. Эффект влияния ПМП на увеличение параметров роста растений в присутствии катионов РЪ2+ проявляется только при достаточно больших концентрациях металла в очищаемой почве.

3. Анализ полученных данных показал, что свинец проявляет большую токсичность по отношению к растениям в сравнении с медью. Эффективность очистки почв, загрязненных ионами Си2 с помощью растений листового салата, фасоли и сои достаточно велика при любых из исследуемых концентраций и при любом времени воздействия ПМП. Данное наблюдение можно объяснить тем, что медь, в отличие от свинца, является микроэлементом, необходимым для роста и развития растений и обладает меньшей токсичностью по отношению к растениям.

4. Установлено, что при любых, из исследуемых концентраций ионов РЬ2+ и Си2+, эффективность очистки почвы без предварительной обработки семян растений в ПМП с Н=2 кА/м оказалась

Рас- тение Сн, ПДК (мг/кг) Ск, мг/кг Эоч, %

ПМП 1, 6 и 24 ч 1 6 24 К* "и/РЪ 1 6 24

Лис- товой салат 5 (15) 2,37 1,94 2,18 50/69 84,2 87,1 85,5

10 (30) 3,99 3,63 3,51 67/83 86,7 87,9 88,3

15 (45) 6,12 5,49 9,41 78/89 86,4 87,8 79,1

20 (60) 7,92 7,08 6,72 85/91 86,8 88,2 88,8

Фа- соль 5 (15) 1,68 2,01 1,83 60/67 88,8 86,6 87,8

10 (30) 3,78 2,13 1,68 66/83 87,4 92,9 94,4

15 (45) 4,46 3,24 3,06 77/88 90,1 92,8 93,2

20 (60) 4,44 3,72 3,18 84/90 92,6 93,8 94,7

Соя 5 (15) 1,92 2,03 2,19 56/63 87,2 86,5 85,4

10 (30) 3,57 3,87 4,83 62/74 87,1 87,5 83,9

15 (45) 5,34 5,46 6,48 71/82 88,1 87,9 85,6

20 (60) 6,72 7,38 7,62 78/85 88,8 87,7 87,3

К* - контроль по эффективности извлечения свинца и меди без облучения ПМП [12]

ниже, что свидетельствует о положительном влиянии магнитного поля на процесс фиторемедиации почв загрязненных ионами свинца и меди.

5. Эффективность очистки почв, загрязненных ионами свинца и меди, снижается в ряду: фасоль > соя > листовой салат.

Литература

1. Влияние тяжелых металлов на почву // Ьйр://^'^^. зспги. сот

2. Ульянова В.В., Собгайда Н.А., Степанова С.В. Вестник Казанского технологического университета, 22, 107-111 (2012).

3. Ульянова В.В., Собгайда Н.А., Шайхиев И.Г. Вестник Казанского технологического университета, 23, 120123 (2012).

4. Санация фиторемедиация, биоремедиация почв, водоемов, полигонов // http://www.nauka.kz

5. Ольшанская Л.Н., Тарушкина Ю.А., Стоянов А.В., Русских М.Л. Фиторемедиационные технологии в за-

щите гидросферы: монография / под ред. Л.Н. Ольшанской. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т., 2011. - 136 с.

6. Фиторемедиационные технологии //

http://www.rekicen.ru

7. Brown S.L., ^апеу R.L., Angle J.S. , Baker A.J.M., J. Environ Qual.,23, 37-39 (1994).

8. Оипеу R.L., Malik М., Li У.М., Brown S.L. , Baker A.J.M., Current Opinions in Biotechnology, 8, 67-75 (1997).

9. ГОСТ 4212-76. Методы приготовления растворов для колориметрического и нефелометрического анализа. М: Изд-во стандартов,. 2007. - 80 с.

10. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. М: Изд-во стандартов,. 2003. - 134 с.

11. Фомин Г. С., Фомин А. Г.. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам: справочник. М: Стандарт,. 2001. - 498 с.

12. Ольшанская Л.Н., Халиева А.С., Титоренко О.В. , Ефремова Н.А. Известия ВУЗов. Серия Химия и химическая технология, 56, 4, 127-130 (2013).

13. Лебедев С. И. Физиология растений, М: Колос, 1999. -434 с.

14. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы почвы общие требования к отбору проб. М: Изд-во стандартов,. 1983. - 37 с.

© Л. Н. Ольшанская - д х.н., проф., зав. каф. экологии и охраны окружающей среды СГТУ им. Гагарина Ю.А.; А. С. Халиева - соиск. той же кафедры; А. А. Кузнецова - студ. той же кафедры; О. В. Титоренко - к.х.н., доцент той же кафедры; ; И. Г. Шайхиев - д.т.н., проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, ildars@inbox.ru.