Биодиагностика токсичности тяжелыми металлами черноземов и серых лесных почв центрального Черноземья

БИОДИАГНОСТИКА ТОКСИЧНОСТИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ЧЕРНОЗЕМОВ И СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ

И.В. Глебова, О. А. Тутова, В.М. Солошенко

Аннотация. Выполнена биодиагностика агрохимического состояния пахотного горизонта черноземов и серых лесных почв Курской области по тест-откликам на стрессовое воздействие ионов тяжелых металлов -кобальта, никеля, кадмия, свинца; разработаны рекомендации по фиторемедиации черноземов и серых лесных почв, загрязненных кобальтом, никелем, кадмием и свинцом.

Ключевые слова: биодиагностика, биотестирование, тест-отклик, энергия прорастания, всхожесть, индекс токсичности, ингибирование, фиторемедиация.

Современная агротехногенная нагрузка на сельскохозяйственные угодья существенно преобразует морфологию почвенных горизонтов, их механические, водно-физические и химические свойства, являясь, в итоге, главной причиной деградации почв. В связи с этим, одной из проблем сельского хозяйства, почвоведения и агрохимии является антропогенная трансформация естественных биогеохимических циклов миграции тяжелых металлов, актуальность которой четко прослеживается по результатам мониторинга земель сельскохозяйственного использования. По имеющимся данным площадь пашни Центрально-Черноземного района, загрязненная химическими веществами в количествах, превышающих их фоновое содержание, насчитывает 1483 тыс. га, что составляет 15 % от общей площади 10222 тыс. га [1.-С.319]. В целом, эколого-токсикологическая экспертиза почв сельскохозяйственного назначения Российской Федерации, организованная агрохимической службой Минсельхоза России [1.-С.318-319], выявила 519 тыс. га, загрязненных свинцом, 184 тыс. га -кадмием, 326 тыс. га - цинком, 1416 тыс. га - медью, 527 тыс. га - никелем, 328 тыс. га - кобальтом.

Перераспределение потоков химических элементов и их соединений в результате хозяйственной деятельности человека становится причиной масштабной эмиссии ТМ в окружающую среду. Так, в результате работы предприятий металлургической промышленности каждый год на поверхность Земли поступает меди -порядка 154,7 тыс. т, цинка - 121,5 тыс. т, свинца - 89 тыс. т, никеля - 12 тыс. т, кобальта - 1 тыс. т [1.-С.293]. Установлено, что свинца с выхлопными газами автотранспорта в окружающую среду поступает в 3 раза больше, чем при работе металлургических предприятий. Также одними из крупных источников поступления ТМ в почвы являются орошение сточными водами, внесение минеральных и органических удобрений, применение пестицидов и гербицидов. В среднем с фосфорными удобрениями в почвы пашни поступает кадмия от 0,1 до 170 мг/кг сухой массы, кобальта - 1-12 мг/кг, меди - 1-300 мг/кг, марганца - 40-2000 мг/кг, свинца - 7-225 мг/кг, цинка - 50-1450 мг/кг [1.-С.295].

Постоянно действующий антропогенный пресс требует проведения не только систематических мониторинговых исследований содержания тяжелых металлов в педосистемах и агробиоценозах, но и обуславливает необходимость применения и совершенствования

мобильных методов биологической диагностики почв, дающих интегральную информацию о степени токсичности целого комплекса ТМ, одновременно входящих в их состав. Среди методов биологической диагностики подразделяют два основных - это биотестирование и биоиндикация почв. В эффективных системах агрохимической и биологической диагностики состояния пахотного горизонта почв метод биотестирования занял прочные позиции и находит широкое применение в определении токсических свойств черноземов и серых лесных почв, активно вовлеченных в сельскохозяйственное использование. Особая ценность биотестирования заключается в возможности быстро и своевременно выявить антропогенно обусловленную деградацию пахотных почв, являющихся динамическими системами, установить степень токсичности тяжелых металлов, а также буферную способность почв и толерантность биологических систем (микроорганизмов, сельскохозяйственных культур) в отношении разнообразных, но, вместе с тем, одновременно действующих нарушающих физико-химических факторов.

Благодаря способности сельскохозяйственных культур к быстрой реакции на токсикологическое влияние тяжелых металлов, формируется возможность оценки антропогенного воздействия в показателях, имеющих биологический и агропроизводственный смысл, важность которого неоспорима как для сельскохозяйственных животных, так и для человека.

Цель исследования заключается в том, чтобы, применяя метод биотестирования, диагностировать агрохимическое состояние пахотного горизонта черноземов и серых лесных почв Курской области по откликам на стрессовое воздействие ионов тяжелых металлов - кобальта, никеля, кадмия, свинца. В качестве тест-откликов установлены величины энергии прорастания и всхожести семян, длина проростков и корней тритикале. Для приготовления почвенных растворов использовались черноземы и серые лесные почвы Курской области, отобранные из пахотного горизонта в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб», ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб», ГОСТ 17.4.4.02-84 «Почвы. Методы отбора и пробоподготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа».

Энергия прорастания и всхожесть тритикале в опытах с вытяжками серых лесных почв и черноземов по сравнению с контролем Н2Одист. снижается по причине токсического влияния почвенных вытяжек (рисунок 1, рисунок 2).

При внесении кобальта энергия прорастания в вариантах ССо=ПДК с серыми лесными почвами возрастает по сравнению с чистыми почвенными вытяжками, а при повышенных концентрациях ССо>ПДК на 150% и ССо>ПДК на 200% проявляется ингибирующий эффект ТМ и ЭП несколько снижается (рисунок 1(1)). Аналогичные зависимости прослеживаются и на всхожести тритикале при внесении кобальта, где диапазон снижения всхожести составляет 5% (рисунок 2(1)).

Рисунок 1 - Тест-отклик энергии прорастания тритикале

1 2

Рисунок 2 - Тест-отклик всхожести тритикале

1 2

Рисунок 3 - Тест-отклик длины проростка тритикале

Однако для эксперимента на черноземах проявляются противоположные закономерности влияния дополнительно внесенных концентраций кобальта: в варианте ССо=ПДК энергия прорастания тритикале не изменилась по сравнению с проращиванием на чистых почвенных вытяжках, а в вариантах ССо>ПДК на 150% и ССо>ПДК на 200% значение этого параметра возрастает (рисунок 1(2)).

Повышение всхожести тритикале под влиянием кобальта в аналогичных вариантах эксперимента на черноземах составляет от 80 до 90,33% (рисунок 2(2)). Противоположный эффект микроколичеств внесенного кобальта на черноземах по сравнению с серыми лесными почвами обусловлен более высоким значением ЕКО равным 36,69 мг-экв/100 г почвы, а, следовательно, более ярко выраженными буферными свойствами.

Внесение микроколичеств никеля стимулирует энергию прорастания и всхожесть тритикале в вариантах С№=ПДК, С№>ПДК на 150%, С№>ПДК на 200% с серыми лесными почвами, причем всхожесть достигает величины 92,5% (рисунок 1(1), рисунок 2(1)).

Микроколичества никеля в экспериментах с черноземами первоначально при концентрациях С№=ПДК, С№>ПДК на 150% повышают энергию прорастания и всхожесть тритикале до 86,67%, однако превышение уровня ПДК на 200% приводит к резкому ингибирующему, токсическому эффекту и снижению изучаемых параметров до 71,67 % (рисунок 1 (2), рисунок 2 (2)).

Необходимо отметить монотонное возрастание энергии прорастания и всхожести тритикале в опытах на серых лесных почвах с концентрациями кадмия СссТЦДК, Сш>ПДК на 150%, СШ>ПДК на 200% соот-

1 2

Рисунок 4 - Тест-отклик длины корня тритикале

ветственно с 72,5 до 92,5%, в сравнении с индивидуальным действием почвенной вытяжки (рисунок 1(1), рисунок 2(1)).

В составе черноземов, проявляя свойства микроэлемента, дополнительно внесенный кадмий также стимулирует всхожесть и энергию прорастания культуры, начиная от 80 до 90% и от 75 до 85%. Но при дальнейшем наращивании концентраций ионов данного элемента в модельных системах проявляется достаточно интересный обратный эффект постепенного снижения изучаемых показателей в интервале от 85 до 78,33% для энергии прорастания и от 90 до 81,67% для всхожести тритикале (рисунок 1 (2), рисунок 2 (2)).

Под воздействием микроколичеств ионов свинца энергия прорастания и всхожесть тритикале в биотест-системах с серыми лесными почвами первоначально при концентрации СРЬ=ПДК, СРЬ>ПДК на 150% возрастает в среднем на 12,5%, а в дальнейшем при СРЬ>ПДК на 200% проявляется ярко выраженный ингибирующий эффект, максимально понижающий значение энергии прорастания на 10% в варианте СРЬ>ПДК на 200% (рисунок 1(1), рисунок 2(1)).

Вместе с тем, необходимо подчеркнуть неоднозначное влияние микроколичеств ионов свинца на прорастание тритикале в биотест-системах с почвенными вытяжками черноземов. Питательные среды с концентрацией подвижной формы свинца равной 6 мг/кг почвы, то есть достигающей величины ПДК (рисунок 1(2) и рисунок 2(2)), существенно угнетают энергию прорастания и всхожесть изучаемой культуры по сравнению с воздействием чистых вытяжек почв. В этих случаях максимальное снижение всхожести тритикале составляет 5%. Последующее наращивание количеств ионов свинца, превышающее значение ПДК в 1,5 раза способствовало повышению энергии прорастания и всхожести культуры, причем скачек разницы значений всхожести составил в среднем 15%. В дальнейшем, в условиях концентрации ионов свинца равной двум величинам ПДК, отмечается снижение характеризуемых показателей роста и развития тритикале, принимающее равноценное значение для всхожести и энергии прорастания в 8,33% (рисунок 1 (2), рисунок 2 (2)).

Длина проростка, а также корня тритикале, при добавлении почвенных вытяжек серых лесных почв и черноземов (3, 5, 7 дни прорастания) снижается по сравнению с контролем на дистиллированной воде (рисунки 3, 4). Особенно значительное стрессовое воздействие прослеживается на проростках (третий день прорастания семян) для черноземов, под влиянием почвенных вытяжек которых, индекс токсичности ИТ приобрел наиболее отрицательное значение -0,72, а процент

ингибирования наибольшую величину среди всех остальных вариантов эксперимента с изучаемыми типами почв, равную 41,80 % (рисунок 3 (2)).

Необходимо также подчеркнуть, что наиболее сильный токсический эффект на росте и развитии корней тритикале вновь проявился под действием водных вытяжек черноземов на 3-й день прорастания (рисунок 4 (2)). В этом случае индекс токсичности ИТ составил величину -0,53, а процент ингибирования I равен 34,52 %.

Более сильное ингибирование роста и развития проростков и корней тритикале под влиянием водных почвенных вытяжек черноземов объясняется значительным превышением суммарного показателя загрязнения этого типа почв подвижными формами тяжелых металлов Zc = 3,38, относительно Zc = 0,72 серых лесных почв.

В ходе дальнейших исследований на 5-й и 7-й дни проращивания семян существенное стрессовое воздействие, проявившееся в развитии проростков и корней тритикале на 3-й день эксперимента под влиянием почвенных вытяжек черноземов, а также серых лесных почв, несколько снижается за счет совершенствования и мобилизации физиологических процессов проростков.

В целом, следует отметить, что внесение микроколичеств ионов кобальта, никеля, кадмия, свинца в модельные биотест-системы приводит к более интенсивному наращиванию длины проростков и корней тритикале по сравнению с контрольными вариантами эксперимента с индивидуальными почвенными вытяжками (рисунки 3, 4). Так, индексы токсичности ИТ водных вытяжек серых лесных почв и черноземов с добавлением ионов тяжелых металлов принимают положительные значения, как для длины проростка, так и корня, за исключением действия ионов свинца вытяжек серых лесных почв на длину проростков и корней (рисунок 3(1), рисунок 4(1)). Внесение в биотест-систему всех изучаемых концентраций свинца СРЬ=ПДК, СРЬ>ПДК на 150%, СРЬ>ПДК на 200% оказало токсический эффект на развитие проростков и корней тритикале (рисунки 3, 4), за исключением вытяжек серых лесных почв с концентрацией СРЬ>ПДК на 150%, которые проявили некоторое стимулирующее воздействие на рост корней (рисунок 4 (1)). В аналогичном варианте с почвенными вытяжками черноземов отмеченной особенности действия свинца не проявилось, что свидетельствует о преобладании токсических свойств данного тяжелого металла.

Основываясь на эмпирически установленных значениях величин стимулирования и ингибирования длин проростков тритикале можно рекомендовать выращивание данной культуры в целях фиторемедиации серых

лесных почв, загрязненных такими тяжелыми металлами, как кобальт, никель и кадмий в концентрациях равных и превышающих значения ПДК в 1,5 и 2 раза соответственно. Однако следует отметить, что выращивание тритикале на серых лесных почвах, загрязненных кобальтом, более эффективно при концентрациях, равных значению ПДК или превышающих его максимально в 1,5 раза. Эффективность фиторемедиации в условиях действия больших количеств данного тяжелого металла (ССо >ПДК на 200%) резко снижается по причине сильного фитотоксического влияния и существенного замедления роста и развития зеленой массы культуры. Применение тритикале на серых лесных почвах, загрязненных свинцом в любых концентрациях, нецелесообразно вследствие сильного ингибирования длины проростка (рисунок 3(1)). Тритикале в качестве фиторемедианта черноземов достаточно результативен при загрязнении кобальтом, кадмием и свинцом в условиях всех изученных концентраций (>ПДК на 150% и 200%) (рисунок 3(2)). Выращивание данной культуры на черноземах, загрязненных никелем, эффективно при СМ1 =ПДК и СМ1 >ПДК на 150%. Более высокие концентрации никеля фитотоксичны.

Таким образом, метод биотестирования позволяет не только провести биологическую диагностику различных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, и установить степень их фитотоксичности, но также разработать комплекс практических рекомендаций фиторемедиации исследуемых почв Центрального Черноземья и в частности Курской области.

Список использованных источников 1 Гогмачадзе, Г. Д. Агроэкологический мониторинг почв и земельных ресурсов Российской Федерации/ Г. Д. Гогмачадзе. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2010. - 529 с.

Информация об авторах Глебова Илона Вячеславовна, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, заведующий кафедрой кормления сельскохозяйственных животных и кормопроизводства ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», E-mail: snow1968@inbox.ru, тел. 8-910-277-10-70.

Тутова Ольга Алексеевна, кандидат химических наук, ассистент кафедры физиологии и химии ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. 8-960-693-88-95.

Солошенко Виктор Михайлович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой менеджмента ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».