Влияние биопрепарата Этафос-ф на поглощение катионов меди корнями злаковых растений

УДК 634.0.5:582.475.2

Е. А. Трудова, Е. Э. Нефедьева, Е. В. Байбакова, С. В. Фридланд

ВЛИЯНИЕ БИОПРЕПАРАТА ЭТАФОС-Ф НА ПОГЛОЩЕНИЕ КАТИОНОВ МЕДИ

КОРНЯМИ ЗЛАКОВЫХ РАСТЕНИЙ

Ключевые слова: фиторемедиация, ионы меди, модельный раствор, ячмень, биопрепарат.

Данная статья посвящена экспериментальному определению возможностей поглощения ионов меди (II) фиторемедиантом. В качестве растения для фиторемедиации исследован ячмень, который проращивался в растворах биопрепарата (Этафос-ф) с концентрациями 100 г/дм3 (контроль), 10-1 - 10'7 г/дм3. Эксперименты проводились в водной среде и на питательной среде Гельригеля без фосфора с добавлением ионов меди (II) с концентрацией 5 мг/дм3. Определены конечные концентрации ионов меди в растворах через 2 недели культивирования. Проведенными экспериментами определено, что Этафос-ф концентрацией 10-5 г/дм3 усиливает рост растений ячменя и увеличивает их поглотительную способность по ионам Cu(II).

Key words: phytoremediation, copper ions, model solution, barley, biological product.

This article is devoted to the experimental identification of the copper ions (II) uptake by the phytoremediation plant. Barley was used as plants for phytoremediation, which was cultivated in the biological preparation solutions (etafosf) with the concentrations 100 mg/l (control variant), 10-1 - 10-7 g/dm3. Then they were transplanted in the aqueous culture on the Hellriegel nutritive medium prepared without phosphorus with addition of copper ions with concentration 5 mg/dm3. By the experiments was defined, that Etafos-f with concentration 10-5 g/dm3 increases the growth of the barley and its absorptivity in relative to copper ions (II).

Введение

Значительно увеличилось количество различных водоемов, больших и малых рек, где качество воды оценивается как неудовлетворительное практически для всех видов пользования. Воды загрязнены различными поллютантами, включая ионы тяжелых металлов (ИТМ) [1], которые, в большинстве своем, обладают биологической активностью [2]. Попадая в природные среды в активном состоянии, они начинают мигрировать, включаясь в той или иной степени в биологический круговорот, а при определенных биогеохимических условиях и концентрациях оказывают токсическое воздействие на живые организмы [3].

Технология очистки промышленных сточных вод с помощью различных растений называется фиторемедиацией [4]. Процесс включает в себя выращивание растений и пересадку их в загрязненные воды, где растения поглощают и концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях. Как только растения насыщаются загрязняющими веществами, их части или они целиком отправляются на утилизацию с использованием или извлечение полезных компонентов [5, 6]. Для выбора растения необходимо изучить их устойчивость к токсическому воздействию ИТМ.

В мировой практике для очистки сточных вод от различных поллютантов широко применяют фиторемедиацию [7-9].

Известны устройства для очистки сточных вод с помощью высших макрофитов [10-12].

В данной работе в качестве модельного растения для фиторемедиации выбран ячмень ввиду того, что последний обладает такими достоинствами, как большая поглотительная способность металлов, легкость в выращивании, сушке и утилизации. Ранее

проводился эксперимент, в котором было проведено сравнение устойчивости к токсическому воздействию и поглотительной способности тяжелых металлов пшеницей и ячменем. По результатам эксперимента ячмень проявил большую устойчивость к токсическому воздействию и поглотительную способность к ионам меди, чем пшеница, поэтому был выбран для дальнейшего исследования [13].

Для повышения всхожести, поглощающих способностей, устойчивости к токсическому воздействию растений возможно применение биопрепаратов. Биологические препараты (биопрепараты) - препараты, созданные на основе живых микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности [14].

Материалы и методы исследования

Целью настоящей работы было экспериментальное определение влияния биопрепарата на способность ячменя к поглощению и устойчивость к токсическому воздействию ионов меди (II). В качестве биологически активного вещества (БАВ) исследовался препарат с условным названием «Этафос-ф», физико-химические показатели которого приведены в работе [15]. Эксперимент состоял из трех этапов:

1) перед проращиванием семена выдерживали в растворах с концентрациями Этафосф-ф (Сэт) от 10-1 до 10-7 г/дм3 в течение 30-40 минут. Затем семена извлекались из растворов и проращивались рулонным методом. В дальнейшем проростки поливались дистиллированной водой (ГОСТ 12038-84).

2) После пророста семян ячменя, последние пересаживались на пластины из полистирола с отверстиями для дальнейшего проращивания.

Пластины помещались на стаканы с дистиллированной водой. В течение всего эксперимента несколько раз проводились измерения длины проростков и их общей динамики. Измеряли длину колеоптиля и побега. Параллельно проводились наблюдения всхожести, патологий, морфологических изменений.

3) Отбирались оптимальные концентрации, на которых длина проростков была выше по сравнению с контролем. Проростки пересаживались (в том числе и контроль) на питательный раствор Гельригеля без фосфатов с добавлением сульфата меди для оценки устойчивости и поглотительной способности катионов меди корнями растений. В растворе проростки культивировались 7-10 дней, а затем измерялись остаточные концентрации ионов меди в контрольном и экспериментальных растворах с помощью иономера марки «Экотест-120» с ионоселективным электродом (Си2+).

Обсуждение результатов

В результате обработки измерений получены

данные, которые приведены на рисунках 1 и 2.

концентрациями 10- и 10-7 г/дм3, длина побегов выше контроля на 40 и 65 %, соответственно. Высокие концентрации Этафоса-ф не оказывают существенного воздействия на проростки ячменя.

Рис. 2 - Длина проростков через 11 суток после культивирования на среде с Си2+

Также осуществлялось исследование показателей всхожести семян ячменя после обработки препаратом «Этафос-ф» в различных концентрациях (табл. 1).

Таблица 1 - Всхожесть семян, % через 8 суток после прорастания

Рис. 1 - Длина побегов проростков после обработки Этафосом-ф

Из гистограмм, приведенных на рисунке 1, видно, что длина проростков после обработки семян препаратом «Этафос-ф» в концентрациях 10-5 и 10-7 г/дм3 была выше, чем у контроля. Таким образом, при обработке семян названным препаратом в малых концентрациях выявлен эффект гормезиса - общей стимуляции.

Через 11 суток после культивирования на питательном растворе Гельригеля без фосфатов с добавлением сульфата меди снова проводили измерения проростков (рис. 2). За это время изменяется длина побегов, заметны более чёткие закономерности между концентрацией и влиянием Этафоса-ф на рост растений.

Как следует из данных, представленных на рисунке 2, у растений ячменя, обработанных раствором препарата концентрацией 10-6 г/дм3, через 11 суток длина побегов была больше чем в контроле. Самая большая длина побегов была у растений после обработки исследуемым БАВ с

Концентрация Этафос-ф, г/дм3

100 10"1 10"2 10"3 10-4 10-5 10-6 10"7

% 80 70 80 80 60 80 70 100

% ± 0 12 11 11 10 9 13 2

где ±Д - погрешность результатов измерений

Согласно приведенных в таблице 1данных, очевидно, что после обработки Этафосом-ф в концентрациях 10-2, 10-3, 10-5 г/дм3, всхожесть ячменя соответствовала контролю. Всхожесть семян, обработанных растворами препарата

концентрацией 10-1, 10-4, 10-6 г/дм3, снизилась на 1020 %. После обработки раствором исследуемого препарата с концентрацией 10-7 г/дм3, всхожесть семян была 100 %. Таким образом, раствор препарата «Этафос-ф» концентрацией 10-7 г/дм3 оказал оптимальное влияние на всхожесть семян.

Во время эксперимента растения неоднократно поражались грибами рода Мисог, что, в свою очередь, вызывало угнетение роста и развития побегов. Таким образом, косвенно было отмечено, что биопрепарат «Этафос-ф» не обладает антимикробными и фунгицидными свойствами.

Для того, чтобы проверить поглотительную способность растений, обработанных исследуемым БАВ в концентрациях 10-5 и 10-7 г/дм3, их пересаживали на раствор Гельригеля с добавлением ионов меди.

Результаты проверки поглотительной способности растений приведены в таблице 2. Во всех вариантах опыта, включая контроль, степень

очистки следует признать высокой. Концентрация ионов меди в растворах меньше значений ПДК (1 мг/дм3).

Таблица 2 - Влияние катионов меди на поглощение корнями злаков

Конц-я Этафоса-ф Исходная конц-я ионов Cu2+, мг/дм3 Конц-я ионов Cu2+ после поглощения ячменем, мг/дм3 Степень очистки, %

Контроль 5,0 0,217 97,4

C, 10"5 г/дм3 5,0 0,044 99,б

C, 10-7 г/дм3 5,0 0,243 95,1

Таким образом, проведенными экспериментами определено, что степень очистки модельных растворов с использованием растений ячменя, обработанных препаратом «Этафос-ф» с концентрацией 10-5 г/дм3 больше на 2,5 % контроля и больше варианта с использованием раствора препарата с концентрацией 10-7 г/дм3 на 4,5 %. Следовательно, биопрепарат «Этафос-ф» концентрацией 10-5 г/дм3 усиливает рост растений ячменя и увеличивает их поглотительную способность по ионам Си(11).

Литература

1. Г.А. Теплая, Астраханский вестник экологического образования, 1(23),182-192 (2013).

2. Т.А. Прокопенко, С. В. Степанова, И. Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 8, 60-64 (2011).

3. А.А. Халилова, А.В. Яковлева, А. С. Сироткин, Вестник Казанского технологического университета, 10, 392-400 (2010).

4. М.В. Вдовина, Л.И. Матус, Е.А. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 184-186 (2014).

5. Ю.А. Тарушкина, Экология и промышленность России, 5, 36-39 (2006).

6. Е.Г. Карпугина, Молодежный научно-технический вестник, 10 (2013).

7. J. Yang, D. Yao, X. Li, Z. Zhang, Advances in Intelligent and Soft Computing, 106, 679-684 (2011).

8. A. Valipour, N. Hamnabard, K.-S. Woo, Y.-H. Ahn, Journal of Environmental Management, 145, 1-8 (2014).

9. S.S. Bibi, E.A. Waraich, Communications in Soil Science and Plant Analysis, 45, 3150-3160 (2013).

10. М.В. Вдовина, В.П. Мишта, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 184-186 (2014).

11. Полезная модель РФ 136797 (2014).

12. Патент РФ 2530173 (2014).

13. Е.А. Журавлева, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, А.А. Меликян, М.Ю. Брикнер, Вестник технологического университета, 18, 13, 213-215 (2015).

14. Ю. А. Баскаков, А.А. Шаповалов, Новое в жизни, науке и технике, 6, 64 (1982).

15. О.С. Рощина, Т.П. Павлова, С.В. Фридланд, Вестник Казанского технологического университета, 15, 10, 190-194 (2012).

© Е. А. Трудова - магистрант кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского государственного технического университета, rizhia.93@mail.ru; Е. Э. Нефедьева - д.б.н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» того же вуза, nefedieva@rambler.ru; Е. В. Байбакова -аспирант кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» того же вуза; С. В. Фридланд - д.х.н., профессор кафедры «Инженерная экология» Казанского национального исследовательского технологического университета.

© E. A. Trudova - Master student, department "Industrial ecology and life safety", Volgograd State Technical University, rizhia.93@mail.ru; E. E. Nefedieva - Dr. of Biological Sciences, Professor, department "Industrial ecology and Life safety", Volgograd State Technical University, nefedieva@rambler.com; E. V. Baybakova - post-graduate student, department "Industrial ecology and life safety", Volgograd State Technical University, ekaterina.baybakova@yandex.ru; S.V. Fridland - Prof. of the department of «Environmental Engineering» Kazan National Research Technology University.