Накопление цинка и меди в органах и тканях малины (rubusidaeusl. ) при разном уровне минерального питания

Вестник ОрелГАУ, 6

НАКОПЛЕНИЕ ЦИНКА И МЕДИ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ МАЛИНЫ (Rubus idaeus L.) ПРИ РАЗНОМ УРОВНЕ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

ZINC AND COPPER ACCUMULATION IN RASPBERRY (Rubus idaeus L.) ORGANS AND TISSUES UNDER VARIOUS LEVELS OF

MINERAL NUTRITION

Леонтьева Л.И., кандидат сельскохозяйственных наук Leont'eva L.I., Candidate of Agricultural Sciences Корнилов Б.Б., научный сотрудник B.B.Kornilov, research worker Прудников П.С., кандидат сельскохозяйственных наук Prudnikov P.S., Candidate of Agricultural Sciences Леоничева Е.В., кандидат биологических наук Leonicheva E. V., Candidate of Biological Sciences ВНИИ селекции плодовых культур, Орловская область, Россия All-Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding, Orel E-mail: agro@vniispk.ru

АННОТАЦИЯ

В полевом опыте изучено содержание цинка (Zn) и меди (Cu) в органах и тканях малины (Rubus idaeus L.) сорта Спутница, выращиваемых без удобрений и при внесении N90P90K90. Растения малины отбирали в фазу плодоношения и разделяли на органы: корень, корневище, двулетние (плодоносящие) побеги, однолетние побеги (побеги текущего года), латералы (плодовые веточки), плоды. У побегов кору и флоэму отделяли от древесины и анализировали эти ткани отдельно. Также отдельно анализировали листья плодоносящих и однолетних побегов. Максимальное накопление Zn и Cu было в корнях (соответственно - 5,42±0,59 и 4,05±0,44 мг/кг сух. в-ва) и корневищах (4,89±0,52 и 3,90±0,52 мг/кг сух. в-ва). Внесение удобрений приводило к существенному (на 23 ... 26%) увеличению концентрации элементов в корнях. Из надземных органов повышенным уровнем Zn и Cu отличались проводящие ткани побегов. Содержание Zn в плодах при внесении удобрений было на 48 % меньше, чем в неудобренном варианте (1,994 и 2,949 мг/кг сух. в-ва соотвественно). Внесение удобрений не повлияло на содержание в плодах Cu, которое составило 1,700 ±0,18 мг/кг сух. в-ва.

ABSTRACT

In the field experiment the zinc (Zn) and copper (Cu) accumulation has been studied in Sputnitsa raspberry (Rubus idaeus L.) organs and tissues. Plants were cultivated without fertilizing but with N90P90K90 application. At the stage of fruiting the raspberry plants were picked out and divided into organs: root, rhizome, floricane stems, primocane stems, laterals (fruiting branchlets) and berries. Stem bark and phloem were detached from a xylem and those tissues were analyzed separately. Leaves of floricane and primocane stems were also analyzed separately. The maximum Zn and Cu accumulation was observed in roots (5,24±0,59 and 4,05±0,44 ppm dry wt, respectively) and in rhizomes(4,89±0,52 and 3,90±0,41 ppm dry wt). Under N90P90K90 application Zn and Cu contents in the roots were positively higher than without mineral fertilizing (by 23.26%).

Работа выполнена при поддержке РФФИ

The research has been done under the financial support of RFBR (Project 14-04-32113mol-a

Floricane and primocane stems accumulated lager contents of Zn and Cu than other above-ground parts of the plants. Zn accumulation in raspberry fruits was decreased by N90P90K90 treatment by 48% (from 2,949 to 1,994 ppm dry wt). Cu content in raspberry fruits was 1,700±0,18 ppm dry wt and not affected by N90P90K90 treatment.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Малина; тяжёлые металлы, цинк; медь; минеральное питание. KEY WORDS

Rubus idaeus L., heavy metals, zinc, copper, mineral nutrition.

Малина красная (Rubus idaeus L.) является одной из распространенных ягодных культур. Ягоды малины служат ценным сырьем для пищевой и кондитерской промышленности. Благодаря богатому биохимическому составу, плоды малины успешно используют для профилактики и лечения сердечно-сосудистых, желудочных, простудных и других заболеваний. Целебными свойствами обладают не только ягоды малины, но и другие органы растения - листья, соцветия, стебли и корни. В листьях малины содержится аскорбиновой кислоты в 8 - 10 раз больше, чем в ягодах [1].

Широкое распространение малина красная получила у садоводов-любителей и выращивается в основной массе на дачных участках, которые нередко располагаются вблизи городов и шоссейных дорог. В связи с этим необходим контроль за содержанием микроэлементов в разных частях растений малины.

Однако, в настоящее время, изучение содержания микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов, проводится в основном на однолетних травянистых культурах [2, 3, 4]. Сведений о содержании тяжелых металлов в органах и тканях многолетних растений недостаточно. Малина красная (Rubus idaeus L.) исследована в этом отношении меньше, чем другие ягодные культуры. В исследованиях C.G.Kowalenko [5] изучено распределение микроэлементов в надземных органах малины сорта Willamette, с целью определения оптимальных уровней содержания элементов при растительной диагностике. Установлено, что различные условия минерального питания оказывают влияние на содержание тяжелых металлов в листьях малины. Так в работе Z.Karaklajic-Stajic et al. [6] показаны достоверные различия в содержании микроэлементов в листьях саженцев малины в зависимости от субстрата и некорневых подкормок [6]. В некоторых отечественных работах есть сведения о содержании микроэлементов в листьях и плодах малины [7]. Данных о содержании тяжелых металлов в подземных органах к настоящему времени практически не получено.

Целью настоящей работы было исследовать содержание цинка и меди в надземных и подземных органах малины и выявить возможное влияние минеральных удобрений на поступление этих элементов в растения.

Содержание Zn и Cu в органах и тканях малины сорта Спутница изучалось на плантации, расположенной в садовом массиве ФГБНУ ВНИИСПК (Орловская область). Почва опытного участка - серая лесная среднесуглинистая, хорошо окультуренная. Агрохимическая характеристика почвы участка представлена в таблице 1.

Таблица 1. Агрохимическая характеристика почвы опытного участка

Агрохимические показатели Слой почвы

0 - 20 см 20 - 40 см

рНш 5,01± 0,05 5,05± 0,04

Нгидр. мг-экв/100г 4,77± 0,20 4,60± 0,18

Содержание подвижного Р2О5, мг/кг 193,89 ±11,21 184,59 1±6,67

Содержание обменного К2О, мг/кг 127,29 ±13,34 90,89± 12,92

Содержание обменного Са2+, мг-экв/100г 15,79± 0,71 15,01± 0,21

Содержание обменного Мg2+' мг-экв/100г 6,14± 0,46 5,80± 0,17

Гумус, % 4,07± 0,07 3,84± 0,08

Плантация заложена в 2004 году. Растения выращивались на двух агрохимических фонах: без удобрений и при внесении N90P90K90. Выбор доз удобрений обусловлен рекомендациями для культуры [8]. Минеральные удобрения вносились ежегодно рано весной в виде аммиачной селитры, двойного суперфосфата, и сульфата калия. Повторность опыта трехкратная, расположение опытных делянок на участке - рендомизированное, площадь делянки - 5м2.

Для изучения содержания цинка и меди в органах и тканях малины целые растения отбирались в 2012 и 2013 гг в фазу плодоношения. Далее, отобранные растения разделялись на органы: корень, корневище, двулетние (плодоносящие) побеги, однолетние побеги (побеги текущего года), латералы (плодовые веточки), плоды. У побегов кору и флоэму отделяли от древесины и анализировали эти ткани отдельно. Также отдельно анализировали листья плодоносящих и однолетних побегов.

Содержание цинка и меди в растительных пробах определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии по МУК 4.1.053-96. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве (в вытяжке CH3COONH4, рН=4,8) определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре в пламени ацетилен-воздух; валовое содержание ТМ -рентгенфлуоресцентным методом. Агрохимические показатели почвы определяли по стандартным методикам. Математическая обработка результатов проводилась методом двухфакторного дисперсионного анализа с использованием программы TVA

Земли опытного хозяйства ФГБНУ ВНИИСПК используются в садоводстве более пятидесяти лет. В раннее проведенных исследованиях показано превышение допустимых уровней содержания ТМ в почве и плодовой продукции для этой территории [9, 10]. Цинк и медь являются приоритетными загрязнителями, так как входят в состав средств защиты растений. Валовое содержание цинка в почве опытного участка превышает регионально-фоновое в 4 раза, а содержание меди - в 1,5 раза (Табл.2).

Доля подвижных соединений ТМ в почве, выделяемых с помощью ацетатно-аммонийной вытяжки, составляет для цинка -1,74-1,5%, а для меди 3,77-2,86% от общего содержания элемента, то есть на 96-98% эти элементы прочно закреплены почвенными компонентами.

Распределение подвижных соединений Zn и Cu в корнеобитаемом слое почвы 0.40 см зависело от применения удобрений (Табл. 3).

В почве неудобренных делянок содержание элементов в слое 0.20 см было достоверно выше, чем в слое 20.40 см. При внесении удобрений подвижные формы ТМ распределялись в профиле почвы более равномерно Выявлено более высокое содержание Cu в слое 0 - 20см в варианте без применения удобрений, чем в варианте с N90P90K90.

Цинк и медь относятся к биогенным элементам. Цинк необходим растениям для образования дыхательных ферментов. Под его влиянием происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков. Этот элемент усиливает рост корневой системы. Медь играет значительную роль в ряде важных физиологических процессов - фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота [14]. Однако в избыточных дозах медь и цинк являются токсикантами. Согласно ГОСТ 17.4.02-83, цинк относится к первому классу опасности, а медь - ко второму.

Таблица 2. Содержание изучаемых металлов в почве опытного участка, мг/кг

Zn Cu

Валовое содержание 0 - 20см 50,56±3,16 20,17±2,04

20 - 40см 51,14±2,68 22,31±0,90

Содержание подвижных форм 0 - 20 см 0,88±0,07 0,76 ± 0,09

20 - 40см 0,77±0,05 0,64± 0,05

Регионально-фоновое содержание вал. [11] 13,4 12,3

ОДК вал. [12]. 110 66,0

ПДК подв. [13]. 23,0 3,0

Таблица 3. Влияние агрофона на содержание подвижных соединений Zn и ^ в почве (мг/кг)_

Элемент Фактор А Агрофон Фактор В Слой почвы Средние по фактору А

0...20 см 20.40 см

Zn Без удобрений 0,906 0,752 0,829

N90P90K90 0,848 0,761 0,805

Средние по фактору В (НСР05В =0,10) 0,877 0,756 НСР05АВ=0,14

Без удобрений 0,835 0,651 0,743

N90P90K90 0,672 0,639 0,655

Средние по фактору В (НСР05В =0,12) 0,757 0,645 НСР05АВ=0,16

В условиях нашего опыта выявлено, что барьерным органом для изучаемых элементов был корень. Большее, по сравнению с другими частями растений, накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных их количеств, в результате образования малоподвижных соединений с органическим веществом [15].

Установлено, что внесение минеральных удобрений является эффективным приемом усиления физиологических барьерных функций растений по отношению к тяжёлым металлам (ТМ) на границе «корень - надземные органы» [3]. Мы наблюдали, что накопление Zn и ^ в корнях увеличивалось при внесении минеральных удобрений (Табл. 4 и 5). Также внесение удобрений способствовало значимому росту концентрации Zn в корневищах.По данным C.G.Kowalenko [5] двулетние побеги и листья часто содержат больше Zn, чем однолетние. В нашем опыте надземные побеги содержали достоверно меньше Zn, чем подземные многолетние корневища. Достоверных различий по концентрации Zn в тканях одно- и двулетних побегов не наблюдалось (Табл. 4).

Таблица 4. Содержание Zn в органах и тканях малины в зависимости от агрофона, (мг/кг сух.в-ва) 2012-2013 гг._

Фактор А Фактор В Средние

Органы и ткани растения Агрофон по фактору А

Без удобрений N90P90K90

Корни 4,830 5,977 5,403

Корневища 4,230 5,569 4,899

Кора и флоэма двулетних побегов 2,019 2,176 2,097

Древесина двулетних побегов 2,244 1,820 2,032

Листья двулетних побегов 1,970 1,664 1,817

Кора и флоэма однолетних побегов 2,491 3,052 2,771

Древесина однолетних побегов 2,244 2,097 2,171

Листья однолетних побегов 1,161 1,300 1,231

Латералы (плодовые веточки) 1,527 0,951 1,239

Плодоложе 0,623 0,575 0,599

Плоды 2,949 1,994 2,471

Средние по фактору В (НСР0.05В =0,34) 2,393 2,470 НСР0.05АВ=1,14

Для некоторых ягодных культур сем. ^васеве иивв., например - для земляники, показано интенсивное накопление Zn в плодах [16]. Концентрация элемента в плодах малины существенно не отличалась от содержания его в проводящих тканях побегов, но была достоверно выше, чем в плодовых веточках и плодоложах. На неудобренных делянках коцентрация Zn в плодах была существенно выше, чем в листьях однолетних побегов.

Аккумуляция ^ в растениях малины происходила прежде всего в корнях и корневищах. При этом на неудобренном фоне корни содержали достоверно меньше элемента, чем корневища, а при внесении N90P90K90 наблюдалось противоположное соотношение концентраций (табл. 5).

Таблица 5. Содержание ^ в органах и тканях малины в зависимости от агрофона, (мг/кг сух.в-ва) 2012-2013 гг.___

Фактор А Органы и ткани растения Фактор В Средние

Агрофон по фактору А

Без удобрений N90P90K90

Корни 3,578 4,516 4,047

Корневища 4,161 3,642 3,902

Кора и флоэма двулетних побегов 1,443 1,118 1,281

Древесина двулетних побегов 1,280 1,260 1,270

Листья двулетних побегов 1,823 1,513 1,668

Кора и флоэма однолетних побегов 1,903 2,212 2,058

Древесина однолетних побегов 3,330 2,653 2,992

Листья однолетних побегов 1,374 1,145 1,261

Латералы (плодовые веточки) 1,615 1,136 1,396

Плодоложе 0,790 0,686 0,729

Плоды 1,608 1,700 1,654

Средние по фактору В (НСР0.05В =0,19) 2,086 1,960 НСР0.05АВ=0,65

Кора, флоэма и древесина однолетних побегов малины содержали достоверно больше чем аналогичные ткани двулетних. При этом проводящие ткани двулетних побегов существенно не различались по содержанию в то время как в однолетних побегах древесина содержала на 20 - 40% больше этого элемента, чем кора и флоэма. Это различие было более выраженным, когда растения малины выращивались без применения минеральных удобрений. Также следует отметить, что в древесине однолетних побегов на неудобренных делянках содержание ^ было достоверно выше, чем в аналогичной ткани растений, выращиваемых на фоне N90P90K90.

Наименьшее содержание как и Zn, отмечено в плодоложах. В плодах концентрация ^ была на уровне других надземных органов, но достоверно ниже, чем в древесине однолетних побегов.

Изучение особенностей накопления Zn и ^ в растениях малины показало, что:

- Zn и ^ накапливаются прежде всего в подземных органах - корнях и корневищах, наименьшее содержание элементов отмечено в плодоложах;

- надземные побеги содержат достоверно меньше Zn (в 2.2,5 раза), чем подземные многолетние корневища, концентрация цинка в тканях одно- и двулетних побегов достоверно не отличается;

- кора, флоэма и древесина однолетних побегов малины содержат достоверно больше чем аналогичные ткани двулетних; древесина однолетних побегов содержит на 20 - 40%

больше чем кора и флоэма;

- плоды содержат Zn и ^ в концентрациях, близких к другим надземным органам;

- накопление Zn и Cu в корнях малины увеличивается при внесении минеральных

удобрений, что свидетельствует об усилении физиологических барьерных функций по

отношению к ТМ на границе «корень - надземные органы».

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Помология. В 5т. Том V: Земляника, малина. Орехоплодные и редкие культуры / под ред. Е.Н.Седова, ЛАГрюнер - Орёл: ВНИИСПК, 2014.

2. Кулик Е.Н., Радомская В.И. Особенности транслокации тяжелых металлов в бобовые культуры при антропогенном воздействии // Вестник Крас^У. - 2011. - №8. - С. 83 - 88

3. Лебедева ЛА, Aрзамасова A^. Влияние агрохимических средств на поступление свинца в растения ячменя при загрязнении дерново-подзолистой почвы этим металлом // Проблемы агрохимии и экологии. - 2010, - №2,- с. 22-26

4. Sacristán D. , Recatalá L., Viscarra Rossel R.A. Toxicity and bioaccumulation of Cu in an accumulator crop (Lactuca sativa L.) in different Australian agricultural soils // Scientia Horticulture - 2015.- V.193. - P. 346-352.

5. Kovalenko C.G. Accumulation and distribution of micronutrients in Willamette red raspberry plants. // Can. J.Plant Sci. - 2005.- V.85. - P. 179-191.

6. Karaklajic-Stajic Z., Glisic I.S., Ruzic Dj., Vujovic T., Pesakovic M.. Microelemements content in leaves of raspberry cv. Willamette as affected by foliar nutrition and substrates // Hort. Sci. 2012. - Vol.39. - No2. - P. 67-73.

7. Леоничева Е.В., Мотылёва С.М., Кузнецов М.Н., Роева ТА, Леонтьева Л.И. Формирование состава микроэлементов у ягодных растений в условиях повышенного содержания тяжёлых металлов в почве / Сельскохозяйственная биология, - 2010, - №5, -с. 31-34.

8. Система производства, переработки и доведения до потребителя ягод в Нечерноземной зоне России. - М.: ВСТИСП, 2005. - 172 с.

9. Громова В.С. Влияние длительного применения минеральных удобрений на агроэкологические характеристики почвы и плодов яблоневого сада // Плодоводство и ягодоводство России: Сб. - М.: ВСТИСП, 1995, с. 153-157.

10. Мотылёва С.М., Соснина М.В. О накоплении тяжёлых металлов в листьях и плодах различных сортов чёрной смородины в зависимости от фазы вегетации // Сельскохозяйственная биология. - 1996 г. -№ 1, - с 67-70.

11. Регионально-фоновое содержание химических веществ в почвах Орловской области. - Орёл: Государственный комитет по охране окружающей среды Орловской обл., 1999. 5 с.

12. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжёлых металлов и мышьяка в почвах (Дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91): Гигиенические нормативы. ГН 2.1.7.020-94 / М.: Изд. Госкомсанэпиднадзора России.- 1995: 8.

13. Перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно-допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве. Издание специальное / М.: Изд. Госкомсанэпиднадзора России.- 1991: 18.

14. Кольцов С.В., Сорокопудов В.Н., Нетребко Н.Н., Мартынова НА Мониторинг тяжелых металлов у некоторых видов рода Sambucus L. В условиях г.Белгорода // Вестник Крас^У. - 2009. - №1. - С. 51-56.

15. Гармаш ГА Накопление тяжелых металлов в почвах и растениях вокруг металлургических предприятий. / Aвтореф. дис. ... канд. биол. наук: - Новосибирск, 1985.

16. Ветрова ОА , Кузнецов М.Н. , Леоничева Е.В., Мотылёва С.М., Мертвищева М.Е. Накопление тяжёлых металлов в органах земляники садовой в условиях техногенного загрязнения // Сельскохозяйственная биология. - 2014 - № 5, - с. 113-119.