Особенности транслокации тяжелых металлов в бобовые культуры при антропогенном воздействии

2. Разработаны регрессионные модели зависимости радиусов кроны Rf от возраста и радиусов кроны Rhf-os и Ri от возраста и расстояния между деревьями для однорядных и парных посадок сосны обыкновенной в условиях г. Хабаровска.

3. Полученные модели возрастной динамики радиусов кроны позволяют перейти к геометрическим моделям крон («гипотетическим деревьям» [3]), площади горизонтальных проекций которых получены по выровненным значениям радиусов для различного возраста и расстояния между деревьями. Данные о вертикальном строении крон дадут возможность говорить о возрастной динамике объемно-пространственной структуры насаждений.

Литература

1. Авдеева Е.В. Рост и индикаторная роль древесных растений в урбанизированной среде (на примере г. Красноярска): автореф. дис. ... д-ра биол. наук: 03.00.16. - Красноярск, 2007. - 30 с.

2. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: пер. с англ. - М.: Финансы и статистика, 1986-1987. - Кн. 1-2.

3. Карманова И.В., Судницына Т.Н., Ильина Н.А. Пространственная структура сложных сосняков. - М.: Наука, 1987. - 201 с.

4. Озолинчюс Р.В. Рост и строение крон в процессе формирования хвойных молодняков: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.00.05. - Вильнюс, 1985. - 16 с.

5. Разумовский Ю.В. Влияние экологических факторов на рост и развитие Tilia aordata Mill. в парковых насаждениях (на примере г. Москвы): автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.00.16. - М., 1992. - 19 с.

--------♦'-----------

| УДК 550.424.6 Е.Н. Кулик, В.И. Радомская

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСЛОКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БОБОВЫЕ КУЛЬТУРЫ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

В статье рассмотрены вопросы транслокации тяжелых металлов из бурой лесной почвы в бобовые культуры после внесения в качестве органо-минерального удобрения осадка сточных вод. В ходе проведения полевых опытов установлено, что фасоль обладает высокой способностью аккумулировать Zn, Cu, Pb и Ni.

Ключевые слова: тяжелые металлы, почвенная среда, коэффициент биологического поглощения.

E.N. Kulik, V.I. Radomskaya PECULIARITIES OF THE HEAVY METAL TRANSLOCATION INTO BEAN CULTURES IN THE PROCESS OF ANTHROPOGENOUS INFLUENCE

The issues of the heavy metal translocation from brown forest soil into bean cultures after waste water mud introduction as organic and mineral fertilizer are considered in the article. It is determined in the process of the field experiment conduction that the string bean possesses high ability to accumulate Zn, Cu, Pb and Ni.

Key words: heavy metals, soil environment, biological absorption factor.

Тяжелые металлы (ТМ) - это биохимически активные техногенные вещества, воздействующие на живые организмы. Они относятся к стойким загрязнителям, но многие из них крайне необходимы живым организмам. Являясь микроэлементами, они активно участвуют в биохимических процессах.

Взаимодействие «ТМ - растение» сложное и многогранное явление, при котором необходимо учитывать особенности попадания токсиканта в окружающую среду, фитотоксичность поллютантов, ответные реакции организма на его воздействие.

Особый интерес представляет вопрос о накоплении тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями при использовании осадка сточных вод (ОСВ). Такого рода данные необходимы для понимания биологического круговорота элементов в конкретных экосистемах в нашем случае - «почва-растение».

Цель исследований. Изучение характера накопления тяжелых металлов бобовыми растениями (соя, фасоль) при внесении ОСВ в бурую лесную почву.

Материалы и методы исследований. Для достижения поставленной цели был заложен полевой опыт, при котором в бурую лесную почву вносились дозы 3,5; 7; 10 т/га осадков сточных вод с иловых полей, выдержанные в течение 3-х лет. Учетная площадь делянок 10 м2.

Исследования поведения тяжелых металлов в системе «почва-растение» проводили в посевах сои (сорт Соната) и фасоли (сорт Местная).

Растительные образцы при уборке разделили на корни, стебли, бобы. Отобранные образцы растительной массы были очищены от внешних загрязнителей, высушены до воздушно-сухого состояния. Растительные пробы озолялись в муфеле при 450°С (ГОСТ 26929-94). Выделение средней пробы растительного образца соответствовало ГОСТ 27262-87.

Содержание микроэлементов в пробах почвы и золе растений определяли атомно-абсорбционным методом после кислотного разложения смесью плавиковой, азотной и соляной кислот [3]. Изучение степени подвижности ТМ в почве проводили методом последовательной экстракции из одной навески. Были получены следующие формы соединений ТМ, выделяемые из почвы [1-2]: I - переходящие в водную вытяжку; II -непрочно специфически сорбированные различными почвенными компонентами, экстрагируемые ацетатноаммонийным буфером (ААБ) при рН 4.8. Определение концентрации металлов в вытяжках проводили атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «Аналист 400».

Результаты исследований и их обсуждение. Используемая в опытах бурая лесная почва относится к слабокислой (рН-5,3) и малоплодородной, содержание органического вещества - 1,6 %, Р2О5 в пахотном слое - 7,3 мг/100 г почвы, обменных кальция и магния 7,8 и 5,7 мг-экв/100 г почвы соответственно.

Вносимые осадки г. Благовещенска обладают довольно низким уровнем ТМ ^ 4 мг/кг, ^ - 28, Pb -35 г, N - 39, ^ - 86, Zn - 290 мг/кг) по сравнению с нормативными требованиями (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, СанПиН 2.1.7.573-96). ОСВ г. Благовещенска характеризуются отсутствием патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. В пересчете на сухое вещество в ОСВ содержалось: азота общего - 5,14 %, фосфора общего - 11,5, органического вещества - 61 %.

В табл. 1 приведены данные по валовому содержанию металлов, а также экстрагируемых из почв водной вытяжкой и ацетатно-аммонийным буфером, которые обычно используют для определения запаса подвижных соединений элементов и их доступности для растений.

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в почве и биомассе бобовых культур, мг/кг сухого вещества

Вариант Почва Соя Фасоль

Валовое і О СО 1— ф 81 ° 1 сі ^ о т Подвижные О X со Стебли Корень Зерно Стебли Корень

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Контроль 19 0,13 0,1 6,8 10,9 10,9 9,6 7,5 9,7

3,5 т/га 22 0,042 0,2 7,5 16,6 11,0 15,5 5,1 7,9

7 т/га 30 0,083 0,1 8,3 17,5 17,3 17,5 7,2 5,8

10 т/га 38 0,17 0,1 9,2 18,9 24,6 18,5 10,9 12,6

Норматив 66 10 30 10 30

Zn

Контроль 74 0,24 10,6 21,1 12,8 18,4 47,1 40,9 30,4

3,5 т/га 77 0,22 13,4 22,0 7,9 22,0 54,6 32,7 26,3

7 т/га 97 0,21 13,9 22,8 8,9 39,4 55,4 34,9 20,5

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10 т/га 99 0,24 14,4 26,0 10,8 74,1 56,5 55,9 52,4

Норматив 110 50 50 50 50

Контроль 12 <0,02 0,1 0,2 0,4 0,9 0,8 0,6 1,1

3,5 т/га 13 <0,02 0,2 0,3 0,4 0,9 1,2 0,8 0,9

7 т/га 17 <0,02 0,1 0,3 0,4 1,0 1,8 1,1 0,7

10 т/га 16 <0,02 0,2 0,4 0,4 1,1 1,9 2 1,5

Норматив 0,5 0,5

NN

Контроль 22 0,021 <0,1 0,3 0,2 0,4 2,4 0,9 1,3

3,5 т/га 24 0,021 0,1 0,3 0,3 0,5 3,2 0,6 1

7 т/га 33 0,11 0,15 0,4 0,3 0,5 4,1 1,1 0,8

10 т/га 36 0,12 0,1 0,4 0,5 0,6 4,4 2,8 1,6

Норматив 40 3,0 3,0

а

Контроль 20 0,063 0,1 0,2 0,3 1,0 0,4 0,9 1,2

3,5 т/га 25 0,11 0,4 0,2 0,4 2,0 0,4 0,7 1

7 т/га 30 0,14 0,4 0,3 0,4 2,6 0,5 1 0,8

10 т/га 37 0,13 0,3 0,3 0,4 3,5 0,5 1,6 1,7

Норматив 0,5 0,5

Mn

Контроль 470 0,4 74,3 9,9 8,4 12,5 35,8 33,7 31,1

3,5 т/га 475 0,38 74,7 10,8 8,5 14,7 24 23,2 25,8

7 т/га 540 0,46 80,9 15,5 11,8 18,0 23,3 44,4 18,5

10 т/га 627 0,38 94,1 29,3 16,8 21,8 24,4 71 39,6

Норматив

Pb

Контроль 30 0,13 2,94 0,01 0,2 0,6 0,3 0,4 0,3

3,5 т/га 33 0,09 2,13 0,01 0,2 0,7 0,4 0,4 1,5

7 т/га 36 0,21 2,59 0,1 0,4 1,0 0,6 0,9 1,5

10 т/га 38 0,38 2,96 0,4 0,5 2,5 1,1 1,4 1,5

Норматив 65 0,5 5,0 0,5 5,0

Примечание. При нормировании валового содержания тяжелых металлов в почве использовали ОДК для суглинистых и глинистых почв, при нормировании тяжелых металлов в растительной продукции - МДУ - максимально допустимый уровень для грубых и сочных кормов и ПДК для зернобобовых культур.

Исследование пахотного слоя почв показало, что ОСВ способствовало увеличению валового содержания ТМ по сравнению с контролем, однако их концентрации не превышали ориентировочно допустимые (ОДК), установленные для кислых суглинистых и глинистых почв. Валовые концентрации исследуемой почвы при внесении ОСВ образуют следующий ряд (мг/кг почвы): Mn (470-627) > Zn (74-99) ^ (30-38) > N (2236) ~ а (20-37) ~ ^ (19-38) > ^ (12-17).

Доля подвижных соединений в исходной почве тяжелых металлов, выделяемых с помощью водной и ацетатно-аммонийной вытяжек, составляет 0,2-15,4 % от общего содержания элементов, то есть они почти на 84,6-99,8 % прочно закреплены почвенными компонентами.

Формирование малорастворимых форм тяжелых металлов в основном определяется физикохимическими условиями вмещающей среды, включая влияние почвообразующих пород.

Аккумуляция растворимых форм тяжелых металлов происходит с участием более широкого диапазона факторов. Наименьшее содержание элементов характерно для фракции соединений ТМ, растворимых в воде (менее 0,5 % от валового количества элементов). Состав соединений ТМ, ответственный за содержание ионов ТМ в водной вытяжке, достаточно сложный. Сюда входят три основные группы соединений: а) собственно легкорастворимые соединения ТМ; б) труднорастворимые соединения ТМ, растворяющиеся в воде в соответствии

со своими произведениями растворимости; в) растворимые в воде комплексные соединения ТМ с различными органическими и неорганическими лигандами [2]. При внесении ОСВ доля ТМ, растворимых в воде, в зависимости от элемента либо увеличивается (№, Сг, Pb), либо существенно не изменяется.

В водной вытяжке элементы располагаются в следующий ранжированный ряд (мг/кг почвы): Mn (0,38-

0,46) > Zn (0,21-0,24) >РЬ (0,09-0,38) > а (0,063-0,14) ~ Си (0,042-0,17) ~№ (0,021-0,12) > Со (меньше предела обнаружения, который идентичен ряду по валовому распределению элементов).

Для всех вариантов опыта концентрации ТМ, выделяемые с помощью ацетатно-аммонийной вытяжки, различались в зависимости от элемента. В состав ацетатно-аммонийной вытяжки входят специфически сорбированные ионы ТМ, удерживаемые почвенными компонентами за счет связей, отличных от ионной. Это ионы ТМ, входящие в состав внешне - и внутреннесферных поверхностных комплексов, поверхностных преципитатов, закрепленных на дефектах кристаллических решеток и так далее [2].

Наибольшей подвижностью отличались Мп, Zn, РЬ, градиент концентрации, которых находился в прямой зависимости от дозы внесения ОСВ. Наименьшей подвижностью характеризуются Си, N Со, причем на их содержание в ацетатно-аммонийной вытяжке практически не влияла доза ОСВ. Порядок расположения ТМ по мере уменьшения массовой доли в ацетатно-аммонийной вытяжке практически аналогичен ряду элементов для водной вытяжки: Мп (74,3-94,1) > Zn (10,6-14,9) > РЬ (2,13-2,96) > Сг (0,1-0,4) > Си (0,1-0,2) ~ Со (0,1-0,2) > N (<0,1-0,15).

Отмеченные изменения в почвах при внесении ОСВ не могли не сказаться на накоплении и распределении ТМ как в вегетативных (корни, стебли), так и репродуктивных (бобы) органах сои и фасоли.

Было выявлено, что накопление элементов находилось, как правило, в прямой зависимости от дозы вносимых осадков (табл.1). В результате действия ОСВ проявилась тенденция к депонированию изучаемых ТМ в бобах как фасоли, так и сои. Следует отметить, что накопление тяжелых металлов в зерне сои оставалось ниже, чем у фасоли. Применение ОСВ в изучаемых дозах привело к получению фасоли с превышениями санитарно-гигиенических нормативов в зерне по массовым долям Zn, Си и РЬ. Следовательно, даже уровень ТМ в почве ниже ОДК не всегда гарантирует получение экологически чистой растениеводческой продукции.

Значительная вариабельность содержания металлов прослеживается и в вегетативных органах. В стеблях фасоли по сравнению с соей в среднем в 4 раза больше накапливается Zn и N Мп - в 3,8, Со и Сг -в 2,8, РЬ - в 2,4 раза. Отмечено превышение МДУ в стеблях фасоли по содержанию Zn на варианте с внесением ОСВ в дозе 10 т/га, Со при внесении 7 и 10 т/га ОСВ. Содержание Сг достигает уровня МДУ на тех же вариантах.

Анализ сухого вещества вегетативных органов и бобов сои показал, что концентрации в них ТМ уменьшались в следующем порядке: Си, Со, Сг и РЬ - корень > стебли > бобы; Zn, N и Мп - корень > бобы > стебли, то есть соя обладает определенной защитной системой по отношению к поллютантам.

В вегетативных органах и зерне фасоли концентрация ТМ убывала в следующем порядке: Сг, РЬ -корень > стебли > бобы, Мп - стебли >корень> бобы. Содержание меди, Zn, Со и N в репродуктивной части оказалось выше, чем в вегетативных органах.

Таким образом, химический состав растений отражает в целом элементный состав почвы, на которой они произрастали, но не повторяет его ввиду того, что растения избирательно поглощают необходимые им элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими особенностями.

На основе данных анализа был рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП) как отношение содержания элемента в золе растения к его содержанию в субстрате, на котором оно растет, и биохимическая активность растения (БХА) - суммарная величина, получающаяся при сложении коэффициентов биологического поглощения отдельных элементов (табл. 2).

К элементам энергичного накопления в зерне фасоли можно отнести Си и Zn (КБП от 13,9 до 21) при внесении ОСВ. Данные элементы также энергично накапливаются корнями фасоли на варианте с внесением ОСВ в количестве 10 т/га (КБП 11,3 и 12,5 соответственно).

Со, N и Мп в большинстве вариантов опыта относится к элементам сильного накопления, Сг, РЬ и в ряде случаев N и Мп попадают в группу к элементам слабого накопления и среднего захвата.

Си и Zn в образцах сои в отличие от фасоли (табл. 2) только в стеблях и корнях относится к группе энергичного накопления. Остальные элементы следует отнести к ряду среднего, слабого и очень слабого захвата.

Анализ БХА сои и фасоли, рассчитанный на основе БПК, показал, что биогеохимическая активность зерна фасоли в 4,2 раза выше, чем у зерна сои, а БХА подземной части и стеблей сои - в 1,1 и 1,5 раза соответственно выше, чем у корневой системы и стеблей фасоли.

Таблица 2

Биохимические показатели поглощения ТМ бобовыми растениями

Вариант опыта КБП БХА

Си 7п Со І\ІІ Сг Мп РЬ

Зерно

Контроль Соя 5,8 4,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0,01 11,21

Фасоль 8,6 9,9 0,9 0,2 0,4 1,0 0,1 21,1

3,5 т/га Соя 6,7 5,6 0,3 0,3 0,2 0,3 0,01 13,41

Фасоль 18,1 13,9 2,4 0,8 0,4 1,3 0,3 37,2

7 т/га Соя 5,1 3,8 0,3 0,2 0,2 0,4 0,07 10,07

Фасоль 19,0 15,2 3,0 1,5 0,4 1,0 0,4 40,5

10 т/га Соя 2,5 2,4 0,2 0,1 0,1 0,4 0,05 5,75

Фасоль 21,0 17,0 2,7 2,0 0,3 0,9 0,6 44,5

Стебли

Контроль Соя 16,1 4,7 0,9 0,3 0,5 0,4 0,18 23,08

Фасоль 5,6 7,2 0,6 0,3 0,2 0,8 0,2 14,9

3,5 т/га Соя 26,8 3,7 0,9 0,4 0,6 0,4 0,30 33,1

Фасоль 4,1 5,8 1,1 0,6 0,5 0,8 0,2 13,1

7 т/га Соя 21,0 2,9 0,9 0,4 0,4 0,6 0,39 26,59

Фасоль 5,3 6,5 1,1 1,2 0,6 1,3 0,4 16,4

10 т/га Соя 14,7 2,9 0,8 0,4 0,3 0,6 0,36 20,06

Фасоль 6,8 9,3 1,5 2,2 0,5 1,5 0,4 22,2

Корень

Контроль Соя 13,8 5,8 1,7 0,5 1,2 0,5 0,45 23,95

Фасоль 8,8 6,5 1,3 0,6 1,1 0,9 0,1 19,3

3,5 т/га Соя 12,5 7,1 1,5 0,5 2,1 0,5 0,63 24,83

Фасоль 7,3 5,3 1,4 1,1 0,8 1,1 0,8 17,8

7 т/га Соя 13,6 8,5 1,4 0,4 1,5 0,6 0,64 26,64

Фасоль 7,0 6,3 1,3 1,5 0,8 0,9 1,0 18,8

10 т/га Соя 9,6 9,9 1,0 0,2 1,3 0,4 0,74 23,14

Фасоль 11,3 12,5 1,7 1,8 0,3 1,2 0,7 29,5

Примечание. КБП = 10п и более - элементы энергичного накопления; КБП = 10-п - элементы сильного накопления; КБП = 0,п - элементы слабого накопления и среднего захвата; КБП = 0,0п - элементы слабого захвата.

Несмотря на то что содержание ТМ в растительных образцах фасоли превысило значения ПДК, это не оказывало токсического действия на само растение. Во всех вариантах опыта растения сохраняли нормальную жизнеспособность, визуальных признаков поражения растений установлено не было.

Важным показателем эффективности органических и минеральных удобрений является урожайность сельскохозяйственных культур. Внесение ОСВ способствовало увеличению урожая фасоли от 19 до 30,2 %, сои - от 6,1 до 17,2 % в зависимости от дозы осадка.

Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность (в нашем случае фасоль); другие стремятся снизить их поступление путем максимального использования своих барьерных функций (соя). Данный факт, по-видимому, обусловлен присущим всем живым организмам внутривидовым полиморфизмом, способным проявить себя и при техногенном загрязнении природной среды либо разной потребностью данных культур к этим элементам.

Выводы

Интенсивность поглощения и накопления Zn, Си, РЬ, Со, N Сг и Мп фасолью и соей, характер распределения металлов между основными составными частями растений у этих растений неодинаков. Фасоль обладает высокой способностью аккумулировать Zn, Си, РЬ, N и Сг, что способствовало накоплению в зерне и стеблях ТМ и получению продукта с превышением санитарно-гигиенических нормативов по Zn, Си, РЬ и Сг.

Внесение ОСВ способствовало увеличению валового содержания ТМ в почве. С увеличением дозы ОСВ с 3,5 до 10 т/га возрастали концентрации водорастворимых форм І\І, Сг, РЬ и подвижных форм Мп, Ип, РЬ.

Выполненные исследования показали, что при использовании ОСВ для возделывания сельскохозяйственных культур необходимо вести контроль за содержанием ТМ в кормах, зерне, чтобы предотвратить их избыточную миграцию по трофической цепи.

Литература

1. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. - М., 2008. - 85 с.

2. Ладонин Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах - проблемы и методы изучения // Почвоведение. - 2002. - № 6. - С. 682-692.

3. Обухов А.И. Методические основы разработки ПДК ТМ и классификация почв по загрязнению // Система методов изучения почвенного покрова, деградированного под влиянием химического загрязнения. - М., 1992. - С. 13-20.

УДК 582.475.2:574(571.65) В.М. Урусов, ЛИ. Варченко

ПЛОСКОХВОЙНЫЕ ЕЛИ СЕВЕРНОЙ ПАЦИФИКИ:

ГЕОГРАФИЯ, МОРФОЛОГИЯ, ЭВОЛЮЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ

В статье рассмотрены география, морфология, эволюция и некоторые особенности экологии елей секции Casicta Mayr, или плоскохвойных елей, распространённых в Северной Пацифике от Аляски и Камчатки до Японии, Кореи и сводимых в современных обработках к 2-3 видам, потому что гибридизацией сформированы «переходы» между дальневосточными елями.

Ключевые слова: плоскохвойные ели, верхушки и ножки хвои, чешуи, цвет молодых побегов, продолжительность жизни особей.

V.M. Urusov, L.I. Varchenko FLAT-NEEDLE FIR-TREES OF THE NORTHERN PACIFIC: GEOGRAPHY, MORPHOLOGY, EVOLUTION, ECOLOGY

Geography, morphology, evolution and some peculiarities of ecology of fir-trees in Casicta Mayr section, or flat-needle fir-trees diffused in Northern Pacific from Alaska and Kamchatka to Japan, Korea and reduced in modern processings to 2-3 species because hybridization generated "transitions" among Far East fir-trees are considered in the article.

Key words: flat-needle fir-trees, tops and stems of needles, scales, young runaway color, species lifetime.

Цель исследований. Уточнение таксономии плоскохвойных елей Северной Пацифики, т.е. установление самостоятельности видов, их синонимики, гибридов и хозяйственной ценности таксонов разного генезиса. Предполагается также очертить таксономический смысл эволюционно значимых признаков и геологический возраст некоторых событий в видообразовании у плоскохвойных елей.

Задачи исследований: 1) в связи с наметившейся к 1980-м гг. тенденцией объединения родственных видов ряда ^апепвев ВоЬг. предполагается уточнить морфологию, биологию, экологию и географию плоскохвойных елей Северного Притихоокеанья; 2) определить критические признаки, позволяющие доказывать самостоятельность видов или их гибридный генезис; 3) уточнить видовую самостоятельность елей в соответствии с критериями В.Н. Ворошилова [7].

Материалы и методы исследований. Нами избран генэкологический инструментарий, использованный Л.Ф. Правдиным [15; и др.], В.М. Урусовым [16-17] и нами [2] при критическом анализе елей и сосен России. Биометрия шишек, семян, хвои выполнена на массовом статистически достоверном материале, собранном нами в природных экосистемах с елями и просмотренном в крупнейших гербариях страны. Она также