Исследование влияния природно географичеких и сортовых факторов на накопление тяжелых металлов яровой пшеницей

Медведев П.В., Федотов В.А.

ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНО-ГЕОГРАФИЧЕКИХ И СОРТОВЫХ ФАКТОРОВ НА НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЕЙ

В статье исследуется накопление тяжелых металлов яровой пшеницей с учетом сортовых характеристик, а также особенностей природно-географических зон районирования. Среди наиболее популярных сортов яровой пшеницы Оренбургской области определены максимально подверженные техногенным воздействиям.

Ключевые слова: атомно-абсорбционный анализ, тяжелые металлы, яровая пшеница, зоны районирования.

В последнее время большое внимание уделяется экологическому состоянию почв, а также возделываемым на них сельскохозяйственным культурам при длительном применении средств химизации.

Некоторые минеральные удобрения и пестициды могут содержать тяжелые металлы (ТМ). Этот термин в научной и специальной сельскохозяйственной литературе приобрел негативный смысл. Однако в малых дозах многие из этих элементов необходимы для жизнедеятельности растений. Опытным путем установлено, что жизненно важными для растений являются 15 элементов, из которых 7 - азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера и железо - нужны в относительно больших количествах, а 8 элементов - бор, марганец, медь, цинк, молибден, кобальт, ванадий, йод - необходимы в очень малых дозах.

Тяжелые металлы оказывают влияние на растения, животных и человека, когда они находятся в подвижных соединениях, и происходит это преимущественно через почву и воду.

Источником увеличения их концентрации могут быть естественные процессы выветривания материнских пород, обогащенных тем или иным ТМ, но главным является антропогенный фактор загрязнения

Среди загрязнителей окружающей среды ТМ принадлежит особое место, до 70% которых поступает в организм человека с пищевыми продуктами. Основные механизмы действия токсичных элементов определяются влиянием на проницаемость клеточных мембран, замещением

естественных субстратов в жизнедеятельности клеток, инактивацией биологически активных веществ и ингибированием ферментов [1].

В миграционной системе биосферы особое место занимает почва, в которой зарождаются главные массопотоки металлов. С одной стороны, здесь происходит мобилизация тяжелых металлов, находящихся в рассеянном состоянии, с другой - перераспределение их масс, непрерывное высвобождение из растений, микроорганизмов, разрушающихся горных пород.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах.

В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к ТМ относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Сг, Мп, Ре, Со, N1, Си, 2п, Мо, Сё, Бп, И§, РЬ, Б1 и др. При этом немаловажную роль в категориро-вании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых

организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации.

Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Рей-мерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся РЬ, Си, 2п, N1, Сё, Со, БЬ, Бп, Б1, И§.

Формально определению ТМ соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ.

Ионы металлов являются непременными компонентами почвы. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорга-нических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными.

Благодаря равновесию между физико-химическими условиями и различными формами нахождения рассеянных металлов, а также их способности включаться в ту или иную миграцию, не только поддерживаются миграционные потоки, но и регулируется их накопление.

Избыточное количество металлов путем трансформации их форм выводится в твердую фазу почвы, где они могут концентрироваться и в дальнейшем пополнять отдельные миграционные потоки.

Сохранить почву в нативном состоянии в современных условиях практически невозможно, т.к. вся поверхность земного шара в той или иной мере подвержена воздействию антропогенных продуктов. Вопрос состоит не в том, чтобы иметь чистую почву, а в том, чтобы уровни содержания тяжелых металлов антропогенно-

го происхождения находились в почвах сельскохозяйственного назначения в количествах, не приводящих к негативным последствиям [2].

Важнейшая задача классической и экологической агрохимии сегодня и на перспективу — контроль содержания химических элементов в растительной продукции, возможность его регулирования, изучение зависимости этого содержания от биогеохимических условий среды в системе: почва — растение — животное — человек.

Миграция ТМ в агроэкосистемах и в звене почва — растение определяется их химическими свойствами, почвенными условиями и биологическими особенностями растений [3].

Среди миграционных процессов в биосфере наиболее изучен так называемый биологический круговорот, под которым подразумевается циклический обмен масс химических элементов почвы и растительности. Количество металлов, участвующих в биогеохимической миграции, внушительно: массы цинка и меди, ежегодно вовлекаемые в такой круговорот на всей площади мировой суши, оцениваются миллионами тонн, никеля, свинца и хрома - сотнями тысяч, ртути и кадмия - тысячами тонн.

Нормирование содержания тяжелых металлов в почве и растениях является чрезвычайно сложным из-за невозможности полного учета всех факторов природной среды. Так, изменение только агрохимических свойств почвы (реакции среды, содержания гумуса, степени насыщенности основаниями, гранулометрического состава) может в несколько раз уменьшить или увеличить содержание тяжелых металлов в растениях. Имеются противоречивые данные даже о фоновом содержании некоторых металлов. Приводимые исследователями результаты различаются иногда в 5 - 10 раз.

Предложено множество шкал экологического нормирования тяжелых металлов. В некоторых случаях за предельно допустимую концентрацию принято самое высокое содержание металлов, наблюдаемое в обычных антропогенных почвах, в других - содержание, являющееся предельным по фитотоксичности. В большинстве случаев для тяжелых металлов предложены ПДК, превосходящие верхнюю норму в несколько раз.

Разработанные в 1995 г. ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) для валового содержания 6 тяжелых металлов и мышь-

яка позволяют получить более полную характеристику о загрязнении почвы тяжелыми металлами, так как учитывают уровень реакции среды и гранулометрический состав почвы.

При оценке опасности загрязнения сельскохозяйственных угодий в результате поступления токсикантов в растения оценка размеров накопления ТМ сопоставляется с данными по их фоновому содержанию в растениях и ПДК в сельскохозяйственной продукции.

По абсолютному содержанию в растениях ТМ можно разделить на 4 группы:

элементы повышенной концентрации —

Бг, Мп, гп;

элементы средней концентрации —

Си, N1, РЬ, Сг

элементы низкой концентрации —

Мо, Сё, Бе, Со, Бп;

элементы очень низкой концентрации — Н§.

Среди ТМ (токсичных элементов) приоритетными загрязнителями считаются Н§, РЬ, Сё, Аз, гп главным образом потому, что техногенное накопление их в окружающей среде идет высокими темпами. Существует тесная положительная корреляция между содержанием элемента в растении и его подвижностью в почве. По степени уменьшения коэффициентов накопления элементы образуют следующий ряд:

Сё > гп > Си > Сг > Со > N1.

Значения коэффициентов накопления для различных сельскохозяйственных культур существенно варьируют, что связано с почвенными условиями и биологическими особенностями культур. Максимальным накоплением ТМ характеризуются листья бобовых, листовые овощи, вегетативная масса трав и солома зерновых культур.

Коэффициенты накопления, рассчитанные на валовое содержание элемента в почве, не всегда отражают действительную миграционную подвижность его в звене почва — растение, т.к. в почве одновременно присутствуют различные формы элементов, отличающиеся прочностью связи и доступностью для поглощения растениями. Для более точной оценки связи подвижности ТМ в почве и накоплении их в растениях используют коэффициент накопления, рассчитываемый как отношение валовой концентрации элемента в растениях к содержанию его подвижной формы в почве [4].

Изучение поведения в системе почва-растение одновременно нескольких элементов-аналогов позволило выявить как общие закономерности, так и особенности поглощения элементов растениями. Сходство поведения элементов-аналогов в различных звеньях цепи миграции обеспечивает и общую для них закономерность перехода из одного звена в другое.

С увеличением концентрации элемента в почве его концентрация в растении возрастает до некоторого предела, а при малых концентрациях содержание в растениях растет почти линейно. Одним из факторов, влияющих на поступление ТМ в растение, является их токсичность. При этом содержание ТМ в почве, превышающее порог токсичности, приводит к снижению их поступления в растения. Проведенные к настоящему времени исследования позволяют сделать вывод о наличии тесной положительной корреляции между содержанием ТМ в растениях и подвижностью их в почве.

Этим объясняется тот факт, что среди установленных к настоящему времени ПДК химических элементов в почве лишь для БЬ, Мп, V, РЬ, Аз и Щ в качестве критерия опасности рассматривается их валовое содержание, тогда как для Си, N1, гп, Со и Сг приводятся более корректные значения ПДК подвижных (экстрагируемых ацетатно-аммонийным буфером) форм металлов, т.е. сорбированных почвой по механизму ионного обмена [5].

Доступность ТМ для растений определяется биологическими особенностями самих растений. Среди них можно выделить следующие:

варьирование накопления ТМ из-за видовых особенностей растений (одни растения накапливают больше одних ТМ, другие - других);

видовые и сортовые отличия сельскохозяйственных культур в накоплении ТМ (в одних и тех же почвенных условиях они будут поглощать разное количество ТМ);

у каждого вида растений различные его части и органы концентрируют разное количество ТМ;

возрастные различия в накоплении ТМ [6].

Основной задачей наших исследований

стал сравнительный анализ накопления тяжелых металлов зерновыми культурами с учетом сортовых характеристик, а также особенностей природно-географических зон районирования.

Объектами исследований стали образцы 14 наиболее популярных сортов яровой пшеницы, урожая 2004 - 2008 годов, выращенной в Западной, Центральной и Восточной зонах Оренбургской области.

В частности, были исследованы сорта -лидеры посевов в нашей области в настоящее время: мягкие «Варяг», «Оренбургская-13» и твердые «Оренбургская-10», «Оренбургская-2». На долю этих сортов приходится до 84% площади сельскохозяйственных угодий, отведенных на посев яровой пшеницы в нашем крае.

Выбранные для изучения зоны также не случайны. С учетом большой территориальной протяженности нашей области в широтном и меридиональных направлениях, наблюдается градация погодно-климатических, а также геологических, в частности почвенных, условий произрастания зерновых культур. К примеру, наблюдается постепенное уменьшение одного из основных показателей климата - гидротермического коэффициента Селяни-нова в направлениях с запада на восток области и с севера на юг. Кроме того, эти зоны подвержены различной степени техногенного воздействия [7].

Всвязи с подобной дифференциацией представляет интерес оценка и сравнительный анализ содержания химических элементов в различных сортах яровой пшеницы разных зон Оренбургской области.

Все пробы зерновых культур для исследований были взяты согласно ГОСТ 13496.070. Подготовка проб проводилась по ГОСТ (28418-89) «Метод озоления (ускоренный ме-

тод)». Валовое содержание тяжелых металлов в образцах определялось с помощью атомноабсорбционного спектроскопического анализа с графитовой печью. Статистические данные обрабатывались с помощью программы БТАЛБЛСА. Измерялись концентрации следующих важных химических элементов: марганца, свинца, кадмия, меди, цинка и никеля. Результаты сравнительного анализа содержания ТМ в образцах разных зон представлены на графике (рисунок 1). Вследствие большого разброса концентраций для разных ТМ, для большей наглядности и читабельности графика их значения были приведены к единому диапазону разброса (в каждом случае вводился соответствующий коэффициент преобразования) [8].

Во всех случаях содержание тяжелых металлов в исследуемом зерне ниже или на уровне ПДК. Сравнивания накопление тяжелых металлов в яровой пшенице в разных зонах следует отметить превосходство Восточной зоны по содержанию в пшенице таких металлов как марганец, хром, свинец, никель.

Для кадмия, меди и цинка таких четких зависимостей не наблюдается, разброс концентрации этих элементов в исследованных образцах не позволяет судить о преобладании какой-либо зоны нашей области. Следует отметить также, что концентрации ТМ в образцах Центральной зоны близки к таковым у образцов Восточной зоны, а в случае хрома даже несколько превосходят. Из приведенного графика также можно заключить, что разница между минимальными и максимальными значениями валового содержания ТМ в пшенице в среднем не превышает 150-250%.

Предположительно, превалирование Восточной и Центральной зон в ряде случаев связано с более высокой концентрацией промышленных объектов, служащих источниками загрязнения окружающей среды различными химическими элементами (в частности, свинцом, никелем, марганцем и хромом), а также с более благоприятными природно-климатическими и почвенными условиями (рН среды, концентрация ионов калия, кальция и магния и т.д.).

ч

ф

ц

О

>

Запад  Центр Восток

Рисунок 1. Зависимости содержания тяжелых металлов от зоны произрастания яровой пшеницы

Таблица 1. Зависимости накопления ТМ от сорта яровых пшениц Оренбургской области

Максимальное Минимальное

Сорт содержание содержание

элементов элементов

Харьковская-3 Zn, РЬ, №, Сг, Мп Cd

Оренбургская-21 Zn, РЬ, Мп, Си, Cd -

Оренбургская-10 № Мп, Си

Саратовская-42 РЬ, Сг, Мп, Си -

Варяг - Cd

Юго-Восточная-3 Сг Cd

Безенчугская Янтарь - №, Сг, Си

Учитель - Zn, РЬ, №, Си

Необходимы дальнейшие исследования с целью нахождения корреляции между накоплением тяжелых металлов в зерновых культурах и особенностями зоны произрастания, а также подверженности влиянию техногенного фактора.

В ходе сравнительного анализа полученных статистических данных, последовательно исключив влияние природно-климатических и почвенных особенностей зон районирования, выделены сорта, обладающие максимальной и минимальной накопительной способностью различных ТМ.

После группирования образцов по исследуемым химическим элементам, в каждой зоне были выделены сорта-«лидеры» и сорта-«аут-

сайдеры». Результаты анализа представлены в таблице 1.

Сорта «Харьковская-3», «Оренбургская-21» и «Саратовская-42» проявили большую накопительную способность практически ко всем исследованным элементам. «Безенчугс-кая Янтарь» и «Учитель» - сорта с наиболее низким содержанием ТМ, а значит они менее чувствительны к промышленным загрязнениям и сельскохозяйственным металлсодержащим удобрениям. Особенно, это характерно для наиболее канцерогенных элементов -кадмия и свинца.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение зависимостей накопления ТМ в зерновке пшеницы от ее сортовых технологических характеристик.

Выводы:

Изучено содержание ТМ в яровой пшенице 14 сортов трех зон произрастания Оренбургской области.

Выявлено преобладание в накоплении ТМ у образцов преимущественно Восточной и Центральной зон районирования.

Среди наиболее популярных сортов яровой пшеницы Оренбургской области определены максимально подверженные техногенным воздействиям - «Харьковская-3», «Орен-бургская-21» и «Саратовская-42», а также минимально подверженные - «Безенчугская Янтарь» и «Учитель».

Список использованной литературы:

1. Дмитриева, А. Г. Физиология растительных организмов и роль металлов / А. Г. Дмитриева, О. Н. Кожанова, Н. Л. Дронина. - М. : Изд-во МГУ. - 2002. - 160 с.

2. Овчаренко, М. М. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение / М. М. Овчаренко. - М. : Высш. шк., 1997. - 290 с.

3. Кретович, В. Л. Биохимия растений / В. Л. Кретович. - М. : Высш. шк., 1997. - 445 с.

4. Добровольский, В. В. Гуминовые кислоты и водная миграция тяжелых металлов // Почвоведение. - 2006. - №11. - С. 1315-1321.

5. Левшин Л. В. Оптические методы исследования молекулярных систем / Л. В. Левшин, А. М. Салецкий. - М. : Изд-во МГУ, 1994. - 320 с.

6. Будин, А. С. Химические элементы - токсиканты почв // Почвоведение. - 1975. - № 11. - С. 125-127.

7. Долгалев, М. П. Оренбургская пшеница // Уральские нивы. - Свердловск, 1988. - № 8. - С. 12-13.

8. Брицке, М. Э. Атомно-абсорбционный спектрохимический анализ / М. Э. Брицке. - М. : Высш. шк., 1982. -114 с.