Фитопротекторная роль гумата при комплексном действии свинца и кадмия

ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ / APPLIED ECOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 631.95

DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-135-139

ФИТОПРОТЕКТОРНАЯ РОЛЬ ГУМАТА

ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ДЕЙСТВИИ СВИНЦА И КАДМИЯ

© Т.А. Кирдей

Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени Д.К. Беляева

При растущем техногенном влиянии на окружающую среду часто встречается полиэлементное загрязнение тяжелыми металлами, воздействие которого на живые организмы исследовано очень слабо. В то же время известно, что снизить фитотоксичность тяжелых металлов можно с помощью гуминовых препаратов. В связи с этим изучали влияние гуминового препарата из торфа на устойчивость растений пшеницы (Triticum aestivum L.) к высоким концентрациям свинца (500 и 1000 мкМ/л Pb(NO3)2) и кадмия (10 мкМ/л CdSO4) в условиях вегетационного опыта в водной культуре. Установлено, что токсичность смеси солей металлов превысила токсичность отдельных компонентов в 3,5-10 раз. Высокая токсичность комплексного действия свинца и кадмия была связана, по-видимому, с накоплением кадмия в побегах растений. При комплексном действии тяжелых металлов гумат снизил их токсичность в 1,4-1,5 раза. Ключевые слова: тяжелые металлы, свинец, кадмий, гумат, пшеница.

Формат цитирования: Кирдей Т.А. Фитопротекторная роль гумата при комплексном действии свинца и кадмия // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6, N 3. С. 135-139. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-135-139

PHYTOPROTECTIVE ROLE OF THE HUMATE

AT THE COMPLEX INFLUENCE OF LEAD AND CADMIUM

T.A. Kirdey

Ivanovo State Agricultural Academy named after D.K. Belyaev

Within the rising technogenic impact on the environment, the polyelement pollution with the hard metals can be frequently observed. Such an impact on the life forms is very inconsiderable. At the same time, it is known that the humate products can reduce the phytotoxicity of the hard metals. In accordance with this, there has been studied the impact of the humate product from peat on the wheat plants' (Triticum aestivum L.) resistance towards high lead (500 and 1000 mcM/l Pb(NO3)2) and cadmium (10 mcM/l CdSO4) concentrations under the conditions of greenhouse trial in solution culture. The toxicity of the metal salt mixture was found to exceed the toxicity of the separate components at 3.5-10 times. High toxicity of the complex leads and cadmium impact has been conditioned by the cadmium accumulation in the plants' scions. Within the complex impact of the hard metals, humate has reduced their toxicity at 1.4-1.5 times. Keywords: heavy metals, lead, cadmium, humate, wheat

For citation: Kirdey T.A. Phytoprotective role of the humate at the complex influence of lead and cadmium. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2016, vol. 6, no 3, pp. 135-139. DOI: 10.21285/2227-2925-2016-6-3-135-139

ВВЕДЕНИЕ

Техногенное загрязнение окружающей среды вызвало устойчивое накопление тяжелых металлов в экосистемах. При этом часто встречается полиэлементное загрязнение, воздействие которого на живые организмы исследовано очень слабо. При совместном действии

ионов металлов на растения может наблюдаться как снижение (антагонизм), так и усиление (синергизм) их токсического действия [1, 2, 3]. Наиболее опасными и распространенными загрязнителями являются свинец и кадмий, поступающие в окружающую среду с выхлопными газами автотранспорта, с отходами,

минеральными удобрениями.

Известно, что гуминовые вещества способны снизить токсическое влияние тяжелых металлов на растения [4-7]. Фитопротекторную роль гуминовых соединений связывают с образованием нетоксичных комплексов и снижением доступности ионов металлов для растений. В связи с этим целью работы являлось изучение влияния гумата аммония, полученного из торфа [8], на устойчивость растений пшеницы к высоким концентрациям свинца и кадмия.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектами исследования были растения яровой пшеницы (ТгШоит авзИчит I.) сорта Приокская. В опытных вариантах семена проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге с растворами нитрата свинца (500 и 1000 мкМ/л), сульфата кадмия (10 мкМ/л) и их сочетаний, а также с гуматом (0,01%) или без гумата в соответствии со схемой опыта. Концентрации солей тяжелых металлов выбраны по результатам предшествующих экспериментов как не вызывающие гибель растений. Растения выращивали в условиях водной культуры на питательной смеси Хогланда [9] в камере искусственного климата. Контролем служили растения, выращенные без солей тяжелых металлов в питательной среде. На всех вариантах опыта растения выращивали с гуматом или без гумата (0,005%). Степень металлоустойчи-вости определяли по соотношению массы над-

земных органов растений на опытном и контрольном вариантах [10]. Протекторное действие гумата оценивали по соотношению массы растений, выращенных при использовании гу-минового препарата и без гумата [5]. Содержание ионов свинца и кадмия в растениях определяли на атомно-абсорбционном спектрометре "Shimadzu", модель 6800. Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Бхое! с использованием дисперсионного метода анализа.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате исследований установлено значительное усиление токсичности солей тяжелых металлов при их совместном действии, что хорошо видно по торможению роста растений (рис. 1). Токсичность смесей металлов была выше в 3,5-4 раза и в 6-10 раз, чем токсичность свинца и кадмия, соответственно, при их раздельном использовании. Гумат снизил токсическое действие тяжелых металлов как при раздельном (за исключением 1000 мкМ РЬ(ЫО3)2), так и при комплексном действии.

С увеличением концентрации тяжелых металлов снижается степень металлоустойчи-вости растений (табл. 1). При раздельном использовании солей тяжелых металлов степень устойчивости растений увеличилась к фазе колошения на 14% для кадмия и почти в 3 раза для свинца, тогда как при комплексном действии степень устойчивости остается на уровне

Побеги  Корни

Варианты

Рис. 1. Комплексное действие свинца и кадмия на сухую массу растений пшеницы

в фазу колошения (показана НСР05):

I - контроль; 2 - гумат аммония (ГА); 3 - CdSO410мкМ; 4 - CdSO410мкМ+ГА;

5 - РЬ^03)2 500мкМ; 6 - РЬ^03)2 500мкМ+ГА; 7 - РЬ^03)2 1000мкМ; 8 - РЬ^03)21000мкМ+ГА; 9 - РЬ^03)2 500мкМ +CdS0410мкМ; 10 - Pb(N03)2500мкМ+CdS0410мкМ+ГА;

II - РЬ^03)21000мкМ+CdS04 10мкМ; 12 - РЬ^03)21000мкМ+CdS04 10мкМ+ГА

Таблица 1

Степень металлоустойчивости растений, %

№ п/п Варианты Кущение Выход в трубку Колошение

1 Контроль 100,00 100,00 100,00

2 Гумат аммония (ГА) 132,05 114,85 117,60

3 Cd10 71,79 76,19 85,21

4 Cd10+ ГА 91,03 102,52 95,77

5 Pb500 16,02 38,10 45,07

6 Pb500 + ГА 17,31 42,02 54,93

7 Pb1ooo 12,18 36,13 33,38

8 Pb1ooo + ГА 14,10 39,78 33,80

9 Pb5oo+Cd1o 14,74 17,09 12,96

10 Pb5oo+Cd1o+ ГА 16,67 20,73 18,31

11 Pb1ooo+ Cd1o 8,33 8,96 7,89

12 Pb1ooo+ Cd1o+ ГА 10,90 13,16 11,83

8-18% практически без изменений. Это свидетельствует о приспособлении растений к изучаемым концентрациям солей тяжелых металлов в онтогенезе при их раздельном использовании.

Эффективность гумата характеризует коэффициент протекторного действия (табл. 2). Если коэффициент равен 1 - влияние гумата отсутствует, если значение коэффициента < 1 -гумат усиливает токсическое действие металла, если > 1 - наблюдается выраженный защитный эффект гумата. Рассчитанные значения коэффициента протекторного действия гумата свидетельствуют о возрастании роли гумата при комплексном действии свинца и кадмия. К фазе колошения защитное действие гумата было наиболее высоким при комплексном использовании свинца и кадмия. Гумат стимулировал рост растений и без тяжелых металлов в среде, увеличив массу побегов пшеницы почти на 18%. Стимулирующее действие гумата без тяжелых металлов в среде снизилось после фазы кущения. При 1000 мкМ Pb(NO3)2 эффект гумата фактически отсутствовал.

При 1000 мкМ Pb(NO3)2 гумат усилил накопление свинца в побегах пшеницы и снизил накопление в корнях, тогда как в отсутствие гумата растения накапливали свинец преимущественно в корневой системе (рис. 2 и 3). При этом растения, выращенные без гумата и с гуматом в питательной среде, практически не отличались по накоплению массы, что свидетельствует о протекторной роли гумата даже

Коэффициент

при накоплении токсичного металла в побегах. Это свойство гуминового препарата может быть использовано в технологиях фитореме-диации.

При совместном использовании тяжелых металлов как без гумата, так и с гуматом наблюдалась выраженная барьерная функция корневой системы растений (рис. 3).

Накопление свинца в корнях превысило накопление иона в побегах в 147-262 раза, кадмия - в 21-23 раза. При этом содержание свинца в побегах растений увеличилось незначительно (с 73 до 83 мг/кг), а содержание кадмия возросло более чем в 55 раз по сравнению с контролем. В условиях комплексного действия тяжелых металлов гумат способствовал небольшому увеличению поступления свинца в побеги растений, значительно усилив накопление иона в корнях - в 2 раза по сравнению с вариантом без гумата. В отношении кадмия при использовании гумата наблюдалась тенденция снижения содержания токсичного иона в растениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что токсичность смеси солей свинца и кадмия превысила токсичность отдельных компонентов в 3,5-10 раз. В условиях комплексного действия тяжелых металлов гумат снизил их токсичность в 1,41,5 раза, тогда как при раздельном действии токсичных ионов влияние гумата менее сущест-

Таблица 2

ого действия гумата

№ п/п Варианты Кущение Выход в трубку Колошение

1 Гумат аммония (ГА) 1,32 1,15 1,18

2 CdSO4 10мкМ+ГА 1,27 1,35 1,12

3 Pb(NOз)2 500 мкМ +ГА 1,08 1,10 1,22

4 Pb(NOз)2 1000 + ГА 1,16 1,10 1,01

5 Pb(NOз)2 500+Cds04 10+ ГА 1,13 1,21 1,41

6 Pb(N0з)2 1000+ CdS0410+ ГА 1,31 1,47 1,50

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 6 N 3 2016

Свинец

Кадмий

"С

г

х"

л ф

ю о с

т ш

га £ а. о

о

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

ь.

ь.

1 2 3 4 5 6 7 8

Варианты

Рис. 2. Содержание свинца и кадмия в побегах пшеницы в фазу колошения (показана НСР05): 1 - контроль; 2 - гумат аммония (ГА); 3 - CdS04 10мкМ; 4 - CdS0410мкМ+ГА; 5 - РЬ^03)21000мкМ; 6 - РЬ^03)21000мкМ+ГА; 7 - РЬ^03)21000мкМ+CdS04 10мкМ;

8 - РЬ^03)2 1000мкМ+CdS04 10мкМ+ГА

Свинец  Кадмий 1 2 3 4 5 6 7 8

т

О)

ч: о

о

5000 0

-5000 -10000 -15000 -20000 -25000 -30000 -35000 -40000 -45000

Т- Т- Т--Т

Рис. 3. Содержание свинца и кадмия в корнях пшеницы в фазу колошения (показана НСР05): 1 - контроль; 2 - гумат аммония (ГА); 3 - CdS04 10мкМ; 4 - CdS0410мкМ+ГА; 5 - РЬ^03)21000мкМ; 6 - РЬ^03)21000мкМ+ГА; 7 - РЬ^03)21000мкМ+CdS04 10мкМ;

8 - РЬ^03)2 1000мкМ+CdS04 10мкМ+ГА

венно или отсутствует (при 1000 мкМ РЬ(ЫО3)г). В процессе развития растения приспосабливаются к изученным концентрациям тяжелых металлов при их раздельном использовании, о чем свидетельствует повышение степени их устойчивости. При совместном действии токсичных ионов степень устойчивости растений остается на низком уровне (8-18%).

Накопление свинца в побегах растений при 1000 мкМ РЬ(ЫО3)2, вызванное гуматом, может быть использовано в технологиях фиторемедиа-ции. Несмотря на выраженную барьерную функцию корневой системы растений, можно предположить, что высокая токсичность комплексного действия свинца и кадмия связана, по-видимому, с накоплением кадмия в побегах растений.

1. Иванова Е.М., Холодова В.П., Кузнецов Вл. В. Биологические эффекты высоких концентраций солей меди и цинка и характер их взаимодействия в растениях рапса // Физиология растений. 2010. Т. 57, N 6. С. 864-873.

2. Gao X., Flaten D. N., Tenuta M., Grimmett M. G., Gawalko E. J., Grant C. A. Soil solution dynamics and plant uptake of cadmium and zinc by durum wheat following phosphate fertilization // Plant and Soil. 2011. Vol. 338-1. P. 423-434.

3. Sofo A., Vitti A., Nuzzaci M., Tataranni G., Scopa A., Vangronsveld J., Remans T., Falasca G., Altamura M. M., Degola F., Sanita di Toppi L. Correlation between hormonal homeostasis and morphogen-ic responses in Arabidopsis thaliana seedlings growing in a Cd/Cu/Zn multi-pollution context // Physiologia Plantarum. 2013. Vol. 149. N. 4. P. 487-498.

4. Будаева А.Д., Золтоев Е.В., Бодоев Н.В., Бальбурова Т.А. Сорбция ионов тяжелых металлов гуматами аммония, натрия, калия // Фундаментальные исследования. 2005. N 9. С. 112-113.

5. Кирдей Т.А. Роль гумата в снижении фи-

КИЙ СПИСОК

тотоксичности кадмия // Фундаментальные исследования. 2014. N 12 (часть 9). С. 1921-1925.

6. Кирдей Т.А. Особенности защитной роли гумата при комплексном действии тяжелых металлов // Научная жизнь. 2016. N 1. С. 162-169.

7. Kaschl A., Chen Y. Interaction of humic substances with trace metals and their stimulatory effects on plant growth. In: Use of humic substances to remediate polluted enviroments from theory to practice. 2005. Vol. 52. P. 83-115. Dordrecht, Netherlands.

8. Пат. № 2310633, Российская Федерация. МПК ^5F11/02, d0F7/00. Способ получения жидких торфяных гуматов / Ю.А. Калинников, И.Ю. Вашурина, Т.А. Кирдей; заявитель и патентообладатель ООО НПФ «Недра». № 200612088 3/04, заявл. 15.06.2006, опубл. 20.11.2007. Бюл. N 32.

9. Hoaglond D.R., Arnon D.E. The water culture method for growing plants without soil. Calif. Agric. Expt. Stn., 1950. Vol. 347. P. 1-39.

10. Удовенко Г.В. Солеустойчивость культурных растений. Л.: Колос, 1977. 215 с.

REFERENCES

1. Ivanova E.M., Kholodova V.P., Kuznetsov V.V. Biological effects of high salt concentrations of copper and zinc and their interactions in rape plants. Fiziologiya rastenii [Plant physiology]. 2010, vol. 57, no. 6, pp. 864-873.

2. Gao X., Flaten D.N., Tenuta M., Grimmett M.G., Gawalko E.J., Grant C.A. Soil solution dynamics and plant uptake of cadmium and zinc by durum wheat following phosphate fertilization. Plant and Soil, 2011, vol. 338, no. 1, pp. 423-434.

3. Sofo A., Vitti A., Nuzzaci M., Tataranni G., Scopa A., Vangronsveld J., Remans T., Falasca G., Altamura M. M., Degola F., Sanità di Toppi L. Correlation between hormonal homeostasis and morphogen-ic responses in Arabidopsis thaliana seedlings growing in a Cd/Cu/Zn multi-pollution context. Physiologia Plantarum, 2013, vol. 149, no. 4, pp.487-498.

4. Budaeva A.D., Zoltoev E.V., Bodoev N.V., Bal'burova T.A. Sorption of heavy metal ions of ammonium, sodium, potassium humates. Fundamen-tal'nye issledovaniya [Fundamental research]. 2005, no. 9, pp.112-113.

5. Kirdey T.A. Humate role in cadmium phyto-toxicity reduction. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental research]. 2014, no. 12

6. Kirdey T.A. Peculiarities of humate protective role at comprehensive effect of heavy metals. Nauchnaya zhizn' [Scientific life]. 2016, no. 1, pp. 162-169.

7. Kaschl A., Chen Y. Interaction of humic substances with trace metals and their stimulatory effects on plant growth. In: Use of Humic Substances to Remediate Polluted Environments: From Theory to Practice. Dordrecht, Netherlands, 2005, vol. 52, pp. 83-115.

8. Kalinnikov Yu.A. [et al.] Sposob polucheniya zhidkikh torfianykh gumatov [A process for producing liquid peat humate]. Patent RF, no. 2310633, 2007.

9. Hoaglond D.R., Arnon D.E. The water culture method for growing plants without soil. Calif. Agric. Expt. Stn, 1950, vol. 347, pp. 1-39.

10. Udovenko G.V. Soleustoichivost' kul'tu-rnykh rastenii [Salt tolerance of cultivated plants]. Leningrad, Kolos Publ., 1977, 215 p.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Татьяна А. Кирдей

Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени Д.К. Беляева 153012, Россия, г. Иваново, ул. Советская, 45 К.б.н., доцент t.a.kirdey@mail.ru

Поступила 03.03.2016

AUTHORS' INDEX Affiliations

Tatiana А. Kirdey

Ivanovo State Agricultural Academy named after D.K. Belyaev

bld. 45, Sovetskaya str., Ivanovo,153012,Russia PhD of Biology, Associated professor t.a.kirdey@mail.ru

Received 03.03.2016