Фитотоксичность и Ферментативная активность чернозема выщелоченного при загрязнении тяжелыми металлами

2. Влияние загрязнения окружающей среды свинцом на состояние здоровья детей Монголии / Б. Бурмаа [и др.] // Гигиена и санитария. - 2002. - № 3. - С. 21-23.

3. ГичевЮ.П. Экологические аспекты медицины. - Новосибирск: Изд-во СО РАМН, 2000. - Т. 2. - 239 с.

4. Гичев Ю.П. Загрязнение окружающей среды и здоровье человека. - Новосибирск: Изд-во СО РАМН,

2002. - 230 с.

5. Демидов В.А., Скальный А.В. Оценка элементного статуса детей Московской области при помощи многоатомного анализа волос // Микроэлементы в медицине. - 2001. - Т. 2. - С. 46-55.

6. Дисбаланс микроэлементов в организме детей с экологозависимой патологией / В.В. Утенипа [и др.] // Гигиена и санитария. - 2002. - № 2. - С. 57-59.

7. Микроэлементы человека / A.T. Авцын [и др.]. - М.: Медицина, 1991. - 493 с.

8. Михайлова Л.А., Матыскин А.В. Особенности внешнего дыхания у детей промышленного города //

Сиб. медицинское обозрение. - 2009. - № 2. - С. 54-59.

9. Содержание тяжелых металлов и волосах детей в промышленном городе / Т.К. Черняева [и др.] // Гигиена и санитария. - 1997. - № 3. - С. 26-28.

10. Aswathanarayana L.U. Role of trace element research in the ecologically -sustainable induslrial development in the SADC region // Trace Elem. Exp. Med. - 1998. - V.11. - № 4. - P. 333-334.

11. Klevay L.M., ChrLslophersun D.M., Shuler T.R. Multiple toxic elements in hair of one man over two decades // lCP Infect. Newslett. - 1999. - № 4. - P.308.

УДК 631.46:631.411.2 И.С. Коротченко

ФИТОТОКСИЧНОСТЬ И ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

По результатам вегетационного эксперимента по оценке влияния уровня загрязнения чернозема тяжелыми металлами на показатели его фитотоксичности была установлена прямая зависимость между концентрацией загрязняющего вещества и степенью уменьшения параметров.

Ключевые слова: чернозем выщелоченный, ферментативная активность почв, тяжелые металлы, фитотоксичность.

I.S. Korotchenko PHYTOTOXICITY AND FERMENT ACTIVITY OF LEACHED CHERNOZEM AT POLLUTION BY HEAVY METALS

Direct dependence between the polluting substance concentration and the indicator reduction degree is determined by means of the results of the vegetative test on the estimation of influence of chernozem pollution degree by the heavy metals on its phytotoxicity indicators.

Key words: leached chernoze, soil ferment activity, heavy metals phytotoxicity.

Введение

Город Красноярск является одним из крупных индустриальных центров Сибири, в атмосферу которого выбрасываются значительные количества загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов. Поступая в атмосферу, они постепенно оседают на поверхности земли и депонируются в основном в верхней части почвенного покрова.

При попадании тяжелых металлов в почву происходит трансформация их первичных форм, вертикальное и горизонтальное перераспределение. Способность металлов к миграции приводит к более быстрому поступлению к корневищам растений, попадая тем самым в пищевую цепочку почва - растение - животное, человек.

Фитотоксичное действие тяжелых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла [4]. Поступление тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит прежде всего от количества этих металлов в почве [2,5,9].

Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в растениях и среды при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) могут быть достаточно высоки - в некоторых случаях превышают

величину 0,80 [7]. Отмечено как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах.

Различные виды растений в значительной степени отличаются по способности поглощать тяжелые металлы [10]. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным их концентрациям, чем низшие. Культурные растения, как правило, в меньшей степени способны накапливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикорастущие, кроме того установлена различная способность сельскохозяйственных культур к накоплению тяжелых металлов и устойчивость к ним [1, 8].

В связи с этим большой интерес и важное практическое значение приобретает, с одной стороны, познание механизмов и закономерностей распределения и миграции тяжелых металлов в окружающей среде, с другой - их влияние на сельскохозяйственные растения.

Цель исследований заключалась в оценке влияния уровня загрязнения чернозема тяжелыми металлами на показатели его фитотоксичности и на активность почвенных ферментов.

Объекты и методы исследований. В качестве модельных объектов исследования выбраны морковь сорта Марлинка и чернозем выщелоченный.

Поведение тяжелых металлов (меди, кадмия, свинца) в системе почва-растение изучали в вегетационно-полевом эксперименте. Тяжелые металлы вносились в 0-20 см слой почвы в виде хорошо растворимых солей: CuS04•5Н20; (СНзСОО)2РЬ; 3ССЭ04^8Н20 в концентрациях 1-5 ПДК по фону №оР5оК5о. Расчет концентраций проводили согласно данным ПДК [4]. Почва на опытном участке имеет следующую характеристику: гумус - 7,7%, рН - 7-8, подвижный фосфор - 300 мг/кг, обменный калий - 150 мг/кг. Исследования проведены в 2009, 2010 года на опытном поле в с. Зыково (Березовский район Красноярского края). В различные периоды вегетации (30, 60, 90 суток) отбирали образцы растений. Измеряли длину всего растения, длину и массу корнеплода. В сентябре, до уборки урожая, с каждого участка была отобрана средняя проба почвы из верхнего слоя толщиной 0-5 см. В этих образцах определяли ферментативную активность. Исследования проводились в четырехкратной повторности. Содержание тяжелых металлов в образцах почвы и растениях определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре (ААС) «Спектр-5».

При изучении ферментативной активности почвы активность каталазы определялась перманганатометрическим методом Джонсона и Темпле [6], уреазы - фотоколориметрическим методом [6], инвертазы -по учету восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы, протеазы - фотоколори-метрическим методом [3, 6].

Для оценки достоверности влияния загрязнения тяжелых металлов на исследуемые показатели использовали дисперсионный анализ. В целях удобства интерпретации его результатов вычисляли наименьшую существенную разность (НСР05). Для изучения тесноты и формы связи между содержанием в почве тяжелых металлов и исследуемыми показателями применяли корреляционный анализ. Использовали компьютерную программу Statistica 6.0.

Результаты исследований и их обсуждение

Установлено существенное влияние модельной загрязненности почв тяжелыми металлами на их концентрацию подвижных форм в почве и растениях. Линейная регрессионная модель перехода подвижных форм тяжелых металлов из почвы в корнеплоды моркови представлена на рисунке 1.

14

О 10 20 30 40 50 60

Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве, мг/кг

Рис. 1. Зависимость содержания тяжелых металлов в корнеплодах моркови от концентрации тяжелых

металлов в почве

Содержание свинца в исследуемой почве превышает от 1 до 7,4 ПДК. Превышение ПДК по свинцу в корнеплодах моркови составило от 1,42 до 1,82 ПДК. Концентрация подвижных форм кадмия в почве превысила ПДК в 18,34-22,9 раза, а в корнеплодах моркови - в 2,3-9 раз. Превышение ПДК подвижных форм меди в почве составило от 9,6 до 18,8 ПДК, в моркови - от 2,4 до 2,6 ПДК.

Установлено, что в зависимости от своей природы, концентрации в почве тяжелые металлы оказали угнетающий эффект на рост растений моркови в течение вегетационного периода (рис. 2). Отмечается достоверное (Р<0,01) угнетение роста растений во всех вариантах. Особенно сильно оно проявилось в начале вегетации, с развитием корневой системы (см. рис. 2). К концу вегетационного периода разница в высоте растений была менее заметна в связи со снижением подвижности внесенных в почву свинца, меди и кадмия.

Установлена отрицательная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и высотой растений моркови, которая апроксимируется прямой линией с высокой степенью достоверности ^2=0,92-0,99). Причем наибольшую токсичность за весь вегетационный период проявил кадмий.

Ё О 10 20 30 40 ^0 60 о 10 20 30 40 50 60

и

Л

П Содержаниемегалла в почве, мг/кг Содержание металла в почве, мг/кг

е 102 90 сутки вегетации

О 10 20 30 40 50 60

Содержаниеметалла в почве, мг/кг

Рис. 2. Фитотоксичность моноэлементного загрязнения чернозема выщелоченного в течение вегетационного периода растений моркови (Daucus carota сорта Марлинка

Урожайность моркови также значительно снижалась по мере возрастания концентрации подвижных форм свинца, меди, кадмия в почве. Фитотоксичность свинца (снижение урожайности культуры на 10 % и более) по отношению к моркови установлена при концентрации его в опытной почве 23,9 мг/кг и выше. При максимальной концентрации свинца (44,8 мг/кг) урожай снизился почти на 80%. Фитотоксичность меди по отношению к моркови установлена при концентрации его в опытной почве более 33,5 мг/кг и выше. При максимальной дозе свинца (54,4 мг/кг) урожай снизился почти на четверть. Фитотоксичность кадмия по отношению к моркови установлена при концентрации его в опытной почве более 6,1 мг/кг и выше. При максимальной дозе свинца (18,34 мг/кг) урожай снизился почти на 70%.

Была также осуществлена оценка связи содержания тяжелых металлов в почве и урожайности моркови (рис. 3). Установлена отрицательная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и урожайностью моркови, которая апроксимируется прямой линией с высокой степенью достоверности ^2=0,77-0,98).

—ІЬ —Си —C<1

140

h-

©

0

О 10 20 30 40 50 60

Содержаниеметалла в почве, мг/кг

Рис. 3. Линейная зависимость урожайности моркови (Daucus carota L.) сорта Марлинка

от содержания металла в почве

Анализ ферментативной активности почв свидетельствует о неоднозначном влиянии тяжелых металлов и их детоксикантов на биологические свойства почвы. Каталазная активность на фоне составляла 1,77 мл KMnO4 / г почвы. При загрязнении почвы свинцом, кадмием и медью установлено достоверное (Р<0,01) увеличение этого показателя. Наиболее высокие значения каталазной активности отмечены на почвах, загрязненных кадмием. Наблюдаются достоверно высокие значения (Р<0,01) уреазной активности в вариантах со свинцом, кадмием и медью. Под действием токсикантов происходит достоверное (Р<0,01) снижение инвертазы и протеазы в почве.

Выявлена отрицательная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и активностью ферментов - протеаза и инвертаза, которая апроксимируется прямой линией с высокой степенью достоверности (R=0,92-0,93), и в то же время положительная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и активностью ферментов - уреаза и каталаза (R=0,93-0,98) (рис. 4-6).

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Содержание подвижных форм свинца в почве, мг/кг

Рис. 4. Ферментативная активность чернозема выщелоченного в зависимости от концентрации

подвижных форм свинца в почве

О 10 20 30 40 50 60

Содержание подвижных форм меди в почве, мг/кг

Рис. 5. Ферментативная активность чернозема выщелоченного в зависимости от концентрации

подвижных форм меди в почве

О 2 4 е 8 10 12 14 16 18 20

Содержание подвижных форм кадмия в почве, мг/кг

Рис. 6. Ферментативная активность чернозема выщелоченного в зависимости от концентрации

подвижных форм кадмия в почве

Проведенные исследования демонстрируют различное влияние тяжелых металлов на содержание ферментов в почве. Так, под действием всех металлов активность каталазы и уреазы увеличивается, а активность протеазы и инвертазы уменьшается.

Анализируя результаты кластеризации по максимуму коэффициента корреляции между исследуемыми параметрами, отмечено сходство между вариантами Фон+3ПД^ и Фон+4ПД^, Фон+3ПД^, Фон+4ПД^ и Фон+2ПД^, а также Фон+1ПД^ и Фон+3ПД^, но все они находятся в трех разных кластерах, причем каждая из перечисленных пар имеет схожий тип загрязнения (рис. 7).

Кластерный анализ по максимуму корреляций между исследуемыми параметрами свидетельствует о том, что связь зависит больше от концентрации загрязнителей в почве.

Фон N40P50K50------------------------ -

Фон+1 ПДКРЬ ------------------1 -

Фон+1 ПДКСи------------------- -

Фон+2ПДКСи ---------------- ---- -

Фон+3ПДКСи --------- -

Фон+4ПДКСи---------------------- -

Фон+5ПДКСи ---------------- -

Фон+2ПДКРЬ -------------------------- -

Фон+3ПДКРЬ ------------------------------------------------------------------------

Фон+4ПДКРЬ ----------------------------------------------------------- -

Фон+5ПД^ --------------------- ------ -

Фон+5ПДКРЬ ------------------------------------------------------------------------

Фон+1ПД^------------------- -

Фон+2ПД^ — ------------------------------------------------- -

Фон+3ПДКCd —I

Фон+4ПДКCd —Г -

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Linkage Distance

Рис. 7. Кластеризация по максимуму коэффициента корреляций между вариантами исследования

Таким образом, установлена высокая степень воздействия повышенного содержания тяжелых металлов в почве на рост, развитие и урожайность моркови, а также активность почвенных ферментов.

Выводы

1. В результате изучения токсичного действия возрастающих концентраций (1-5ПДК) солей свинца, меди и кадмия на развитие моркови в течение вегетационного периода установлен следующий ряд токсичности металлов: Cd < Cu < Pb.

2. Анализ ферментативной активности почв свидетельствует о негативном влиянии тяжелых металлов и отмечен следующий ряд токсичности металлов: Cd < Pb < Cu.

3. Выявлены линейные отрицательные связи между содержанием тяжелых металлов в почве и корнеплодах, высотой растений, урожайностью моркови, активностью почвенных ферментов - протеаза и ин-вертаза, которые апроксимируются прямыми линиями с высокой степенью достоверности.

4. Установлены линейные положительные связи между содержанием тяжелых металлов в почве и активностью почвенных ферментов (уреаза и каталаза).

Литература

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.

2. Гасанов С.Г. Содержание ртути и свинца в почвах и растениях в Лачинском районе Азербайджанской

ССР // Тез. докл. 8-го Всесоюз. съезда почвоведов. - М., 1989. - Кн. 2. - 166 с.

3. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцев. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 304 с.

4. Химическое загрязнение почв и их охрана: слов.-справ. / Д.С. Орлов [и др.]. - М.: Агропромиздат,

1991. - 303 с.

5. Федоров А.С., Потапова Н.Е. Влияние техногенных факторов на содержание тяжелых металлов в гумусовом горизонте почв и растениях // Почвоведение. - 1988. - №3. - С.135-137.

6. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 189 с.

7. Adams T.M., McGrath S.P., Sanders J.R. The effect of soil pH on solubilities and uptake into ryegrass of

zinc, copper and nickel added to soils in sewage sludges // Heavy Metals Environ. Int. Conf., Athens. - 1985. - V. 1. - P. 484-486.

8. Baluk A., Kociatkowski Z. Zawartosc kadmu w glebie i roslinach wokolo Huty Miedzi «Glogow» // Pr. nauk. Inst. ochr. roslin. - 1985. - T. 27. - № 2. - S. 119-216.

9. Brummer G.W. Heavy metal species, mobility and avalibility in soil // Importance Chem. Environ. Process.

Rept. - Berlin, 1986. - P. 169-192.

10. Leonardi S., Fluckiger W. Physiologische Auswirkungen der durch sauren Nebel induzierten Kationenauswa-schung aus Buchenblattern // Air Pollut. and Forest Decline Proc. 14 Gnt. Meet. Spec. Air Pollut. Eff. Forest Ecosyst. Int. Union Forest. Res. Organ. Project. Group P 2.05, Interlaren, 2-8 Oct., 1988. - Birmensdorf, 1989. - V. 2. - P. 470-473.

----------♦'------------