Влияние Cd и Со на динамику накопления 137Cs ячменем в онтогенезе

Влияние Cd и Со на динамику накопления 137Сэ ячменем в онтогенезе

Арышева С.П.

ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Российской академии сельскохозяйственных наук, Обнинск

В работе представлены данные по изучению влияния тяжелых металлов на накопление 137Сэ в биомассе и зерне ярового ячменя сорта Эльф. Показано, что присутствующие в почве Со и Сс1 в дозах, превышающих предельно допустимые концентрации для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы в 20 и 25 раз, способствуют снижению перехода радионуклида в растения ячменя в онтогенезе. Установлено, что на ранних стадиях развития ячменя величина подавления скорости поглощения 137Сэ за счет внесения в почву тяжелых металлов была немного ниже или сопоставима с депрессивным влиянием этих химических элементов на скорость прироста биомассы растений, что обусловило снижение выноса радионуклида с урожаем ячменя.

Поступление 137Сэ в рацион населения с продуктами растениеводства и животноводства

- основной путь формирования дозы внутреннего облучения человека в регионах радиоактивного загрязнения после аварии на ЧАЭС [1]. Одним из факторов, обусловливающих снижение дозовых нагрузок на население, является организация рационального ведения сельскохозяйственного производства, направленная на снижение уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции, что непосредственно связано с концепцией безопасного проживания населения на загрязненных территориях.

Для сохранения плодородия почв и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур важное значение имеет прогнозирование химико-токсикологической и радиационной обстановки в сельском хозяйстве, а также разработка комплекса мероприятий по ее улучшению. Это требует знаний об особенностях миграции химических токсикантов и радионуклидов в агроландшафтах и оценки значимости факторов, влияющих на поведение загрязняющих веществ в системе почва-растение.

Поглощение 137Сэ корнями растений из почвенного раствора - процесс биологический, который определяется генетическими особенностями растений и контролируется физиологическими реакциями в организме. Он подвержен влиянию основных катионов, присутствующих в составе жидкой фазы почв и почвенно-поглощающего комплекса. К ионам, влияющим на селективность сорбции 137Сэ твердой фазой почв и его поглощение корнями растений из почвенного раствора, относятся всегда присутствующие в почвенных системах катионы К+, ЫН4+, Ыа+, Н+,

Са2+ и Mg2+, которые в больших количествах вносятся и при сельскохозяйственном использовании почв [12].

Поступление тяжелых металлов в растения, и, следовательно, величина оказываемого ими биологического эффекта, также существенно зависит от ионного состава почвенного раствора [4]. Показано, что накопление 137Cs в вегетативной массе ячменя зависит от химических свойств и концентрации металлов, добавленных в почву. Внесение в почву Cd в количествах, соответствующих 1-10 ПДК для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы, не изменяло содержание 137Cs в ячмене, а внесение Zn (1 ПДК) - приводило к увеличению его удельной активности в 2,2 раза [13]. Совместное внесение в почву Cd и Pb [5] вызывало, как правило, снижение перехода 137Cs в урожай пшеницы (в зерно в 20, солому - 7 раз).

В рамках представленной работы необходимо было изучить динамику накопления 137Cs яровым ячменем при выращивании его на почве с содержанием тяжелых металлов, многократно превышающих предельно допустимые концентрации.

В качестве объекта исследования был выбран яровой ячмень (Hordeum vulgare L.) сорта Эльф (Белорусская селекция), районированный в Калужской области. Для выращивания ячменя использовали дерново-подзолистую среднесуглинистую почву, отобранную из пахотного горизонта сельскохозяйственных угодий на территории Калужской области. Данная почва характерна для районов Российской Федерации, подвергшихся радиоактивному загрязнению после аварии на Чернобыльской АЭС.

Агрохимический анализ почвы, определение органического вещества почвы, содержание обменных форм калия и фосфора, емкость катионного обмена проводили стандартными методами [11].

Используемая в эксперименте дерново-подзолистая среднесуглинистая почва имела нейтральную реакцию солевой вытяжки (6,3), малое содержание гумуса (1,79 %), невысокую емкость катионного обмена (ЕКО) - 20,4 смоль/кг. По количеству обменного калия почва характеризуется высокой обеспеченностью (10,1 мг/100 г почвы), по содержанию фосфора - очень высокой (67 мг/100 г почвы) [11]. По уровню обеспеченности зерновых культур фосфором и калием почва относится к IV классу (оптимальный) [10].

Опыт проводили в контролируемых условиях теплицы ГНУ Всероссийского научноисследовательского института сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Россельхоза-кадемии (ГНУ ВНИИСХРАЭ) по методике [3]. В просеянную и увлажненную дистиллированной водой (60 % от полной влагоемкости - ПВ) почву при тщательном перемешивании вносили питательные элементы (ЫРК) в виде водных растворов солей - NH4NO3, KCl и KH2PO4 в дозах: N-0,2; P205-0,14 и K20-0,14 г/кг почвы. Cd и Со добавляли в виде растворов азотнокислых солей Cd(N03)24H20 и Со^О3)2-6Н2О в концентрациях 50 и 100 мг/кг почвы (варианты Cd и Со). ПДК для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы по Cd составляет 2 мг/кг, по Со - 5 мг/кг почвы (превышение ПДК по Cd составило 25, по Со - 20 раз). Повторность опыта 4-х кратная.

Радионуклид 137Cs в виде раствора хлорида 137Cs с расчетной активностью 50 кБк/кг почвы (плотность загрязнения 325 Ки/км2) вносили в общую массу почвы при перемешивании. Предварительно подготовленную почву набивали в полиэтиленовые сосуды объемом 5 л и инкубировали при комнатной температуре в течение 14 суток. Семена высевали по 25 штук на сосуд. Контроль - почва с загрязнением 137Cs без внесения тяжелых металлов.

Растения выращивали при температуре 18-20 °С в условиях постоянной влажности почвы (60 % ПВ). Растения убирали через 3,5 месяца после посева (полная спелость) и определяли основные показатели структуры урожая.

Для оценки динамики поглощения радионуклида ячменем в процессе вегетации, растения отбирали: в фазах "конец кущения - начало выхода в трубку" (30 суток после посева), "колошение" (60 суток) и в момент созревания урожая (100 суток). В подготовленных к анализу растительных пробах измеряли (в расчете на абсолютно-сухую массу) удельную активность 137Cs (Бк/кг), содержание Cd и Co (мг/кг).

Активность 137Cs в почвенных и растительных образцах измеряли методом полупроводниковой у-спектрометрии на детекторе из сверхчистого германия (ORTEC) и анализаторе спектра Canberra LP 1510. Результаты гамма-спектрометрического анализа показали, что была достигнута удовлетворительная равномерность распределения 137Cs в подготовленной для эксперимента почве. При средних значениях удельной активности 56,1±5,0 кБк/кг воздушно-сухой почвы, относительное отклонение результатов отдельных измерений от среднего значения не превышало 15 %.

Содержание тяжелых металлов (ТМ) - Cd и Co в почвенных вытяжках, растениях, зерне и соломе (после мокрого озоления измельченного растительного материала смесью кислот HNO3 и HClO4 в соотношении 3:1) определяли методом атомной абсорбции в пламенном варианте на приборе Varian SpectrAA 250+ [7, 8].

Для оценки эффектов совместного влияния ионов двух металлов на изучаемые параметры использовали коэффициент взаимодействия (КВ), который рассчитывали по формуле:

KBCd+Co = SCd+Co / SCd + S^

где SCd+Co - инкремент величины показателя при совместном действии ионов Cd+Co; SCd - инкремент величины показателя при действии Cd; SCo - инкремент величины показателя при действии Co.

Коэффициент взаимодействия - величина, которая показывает на сколько эффект влияния на растения от совместного внесения 2-х металлов в почву превышает, меньше или равен сумме эффектов, полученных от раздельного внесения этих металлов в почву.

Экспериментальные данные, характеризующие удельную активность 137Cs в растениях на разных этапах их вегетации и в урожае ячменя, представлены на рис. 1. Максимальная скорость поглощения радионуклида в контроле наблюдалась в период интенсивного роста ячменя

- на 60-е сутки развития растений и составила 2881 Бк/кг, что превышало (p<0,05) скорость накопления 137Cs в 30-суточных растениях и в соломе в 1,4 раза. В 30-суточных растениях, также как в соломе удельная активность 137Cs была примерно одинаковой и составляла

2079 и 2014 Бк/кг, соответственно. Накопление 137Сэ в генеративных органов (зерно) было ниже (в 3-4,5 раз), чем в вегетативных, что свидетельствует о физиологическом регулировании процессов транспорта радионуклида в процессе онтогенеза (снижении интенсивности метаболизма и включении механизмов накопления питательных веществ на разных стадиях развития растений).

3000

2500

2000

<п

О

- 1500

1000

500

137СЭ

И137Сэ Cd

137Сэ Со

137CsCd Со

30 сут

60 сут

солома

0

А

В

Рис. 1. Удельная активность 137Сэ в биомассе (А) и зерне (В) ярового ячменя и коэффициенты накопления радионуклида в зерне (В).

* - различия значимы при р<0,05 по сравнению с контролем;

А - различия значимы при р<0,05 по сравнению с данными на 60-е сутки.

Изменение скорости накопления 137Сэ ячменем на разных стадиях онтогенеза в значительной мере зависело от присутствия в почве повышенных количеств (25 и 20 ПДК) ионов Сс12+ и Со2+. При соблюдении общих закономерностей поглощения 137Сэ, дополнительное внесение одного из металлов в почву тормозило поступление радионуклида в биомассу и зерно ячменя в

среднем в 1,5-2,8 раза по отношению к контролю. Причем эффект от действия ТМ проявлялся на всех исследованных стадиях развития растений, был сопоставим по величине для Со и Сс1 и существенно возрастал при одновременном поступлении двух металлов в почву (на 18-22 %).

Важным показателем для оценки пригодности зерна в пищу или на корм скоту является коэффициент накопления загрязняющих или токсических веществ в зерне. Коэффициент накопления (КН) 137Сэ в зерне рассчитывали как отношение удельной активности 137Сэ (Бк/кг) в зерне к удельной активности 137Сэ (Бк/кг) в почве.

Сравнение коэффициентов накопления 137Сэ в зерне (рис. 1В) показало, что присутствие СС в почве (как самостоятельно, так и совместно с Со) резко (в 2,6 раза) снижало величину КН, тогда как в варианте с повышенным содержанием в почве Со показатель снижался в 1,6 раза (различия по вариантам достоверны при р<0,05).

Анализ ростовых процессов ячменя при выращивании на почве, загрязненной ТМ, свидетельствует о снижении темпов роста растений. На 30-60 сутки отмечено достоверное снижение таких показателей развития ячменя: как высота (в 2 раза), площадь листовой поверхности (на 30-40 %), биомасса растений (в 3-4 раза), масса зерна и соломы ячменя. Снижение всех показателей, характеризующих рост растений, обусловлено токсическим эффектом влияния ТМ. Поэтому, можно полагать, что и снижение поглощения 137Сэ растениями ячменя в онтогенезе в присутствии повышенных концентраций Со и СС связано с физиологическим регулированием (изменение скорости метаболических процессов), возрастающим при совместном присутствии ионов металлов в почве (например, для 60-суточных растений КВСС+Со=0,79, а для соломы КВСС+Со=0,76). Причем присутствующий в почве Со оказывал большее влияние на поступление радионуклида в биомассу и зерно ячменя, чем СС.

Скорость прироста биомассы на 30-60 сутки в варианте с загрязнением почвы СС была выше, чем при загрязнении Со. В варианте с совместным присутствием в почве 2-х ТМ ионы СС способствовали снижению фитотоксического эффекта, вызванного Со.

Известно, что ионы металлов, находящиеся в растворе в неуравновешенном состоянии, могут оказывать токсическое действие на структуры растительных клеток. Такой эффект может быть в значительной степени снижен другим катионом. Это явление широко известно, как антагонизм ионов [2]. Механизм этого явления связывают с конкуренцией ионов при поступлении в клетку. Наибольший антагонизм проявляют катионы одинаковой валентности. Ионы ТМ в значительной степени нарушают проницаемость мембран и индуцируют ионный дисбаланс за счет выделения из клеток ионов К+, Са2+, Мд2+. Избыток ионов ТМ в клетке приводит к усилению пе-роксидазной активности и перекисного окисления липидов, в свою очередь, образование перекисей может приводить к образованию разрывов ДНК [6, 9]. Установлено, что поглощение и транспорт СС в надземной части растений кукурузы ингибировалось высокими концентрациями 7п (7п/СС - 10:1) или Ре [14]. Наличие СС, 1\Н, Си, РЬ в среде для выращивания салата (7 суток) подавляло рост проростков. При введении СС с любым из металлов токсический эффект снижался. Особенно сильный антагонизм наблюдался между СС и РЬ [15].

Сорбция 137Сэ в большей степени зависит от концентрации конкурирующих катионов в растворе. Калий оказывает существенное влияние на сорбцию радионуклида почвами: замещение всех обменных катионов почвы на калий заметно увеличивает сорбцию 137Сэ. Между содержанием 137Сэ в растениях и количеством обменного калия в почвах наблюдается тесная корреляционная зависимость, коэффициент корреляции равен 0,8. Учитывая физиологическую роль калия в регулировании поступления радиоцезия в растения, и возможность изменения его концентрации в почвенном растворе за счет влияния ТМ (нарушение транспорта ионов), можно предположить снижение скорости накопления 137Сэ в растениях, что мы и наблюдали в эксперименте.

Снижение удельной активности 137Сэ в растениях ячменя кроме уменьшения скорости поглощения радионуклида, могло быть обусловлено высокой скоростью прироста биомассы и, соответственно, биологическим разбавлением концентрации элемента. Наиболее интенсивный прирост биомассы происходил в фазы кущение - выход в трубку, что соответствовало отбору проб растений на 60 сутки после посева. Сравнение показателя биомассы ячменя в вариантах с внесения ТМ на 30- и 60-е сутки развития показывает (табл. 1), что при внесении Со темпы прироста биомассы в процессе онтогенеза были ниже, чем при внесении СС. При этом темпы скорости накопления радионуклида были близкими по значению.

Изменение удельной активности 137Сэ является показателем, характеризующим процесс транспорта радионуклида из почвы в растения. Вместе с тем, для определения коллективной дозы облучения населения, проживающего на радиоактивно загрязненных территориях, важное значение имеет вынос 137Сэ с биомассой и зерном зерновых культур.

Под влиянием повышенного содержания СС и Со в почве отмечено значительное (от 24-32 до 62 %) снижение биомассы ячменя по сравнению с вариантом выращивания растений на почве с фоновым содержанием элементов - контроль (табл. 1). Так, в варианте с внесением в почву СС достоверно снижалась сухая масса растений в 2,3 и 1,6 раз на 30- и 60-е сутки после посева, соответственно; Со в 1,6 и 2,6 раза, а СС+Со в 3 и 4 раза по сравнению с контролем (вариант 137Сэ). Повышенное содержание Со оказывало более заметное влияние на биомассу показатели структуры урожая, чем присутствие СС: выявлено достоверное снижение всех параметров. Снижение показателей продуктивности составило 48-62 % по отношению к контролю, а влияние на развитие растений (рост растений в высоту) было в 2-2,6 раз ниже, чем в контроле. По-видимому, ионы металла ингибировали клеточное деление или подавляли активность естественных фитогормонов, участвующих в этих процессах, т.е. можно предположить, что Со оказывал влияние на меристему растений. В пользу этого свидетельствует тот факт, что у подгонов ячменя в этом варианте опыта зерно вообще не сформировалось. Наибольшему угнетению была подвержена биомасса растений при выращивании на почве при полиэлементном загрязнении тяжелыми металлами - СС и Со.

Вынос элементов определяли в расчете на 1 растение как произведение усредненных для варианта удельной активности радионуклида или концентрации элемента в соответствующем растительном объекте и его массы. Его величина может рассматриваться как интегральная функция скорости ростовых и интенсивности обменных процессов в различные фазы развития растений и зависит от обеспеченности почвы элементами минерального питания.

Таблица 1

Влияние Cd, Со на накопление биомассы и урожай ячменя

Вариант 30 суток 60 суток Темпы прироста биомассы Солома Зерно

13^ (Контроль) 13^ Cd 13^ ^ 13^ Cd ^ 0,061 ± 0,003 0,026 ± 0,002* 0,037 ± 0,002* 0,019 ± 0,001* 0,176 ± 0,01 0,107 ± 0,01* 0,067 ± 0,01* 0,043 ± 0,00* 0,43 / 0,61 0,62 / 0,38 0,32 / 0,24 1,511 ± 0,1 0,913 ± 0,1* 0,822 ± 0,1* 0,612 ± 0,1* 1,011 ± 0,1 0,712 ± 0,1* 0,415 ± 0,1* 0,311 ± 0,1*

* - различия достоверны при р<0,05 по отношению к варианту 137Сэ.

В ранний период развития растений (30 сутки после посева) вынос 137Сэ с биомассой ячменя существенно снижался при выращивании растений на почве, содержащей повышенные концентрации СС и Со (как совместно, так и раздельно) по сравнению с их выращиванием на почве с фоновым содержанием элементов (рис. 2).

Рис. 2. Вынос 137Сэ яровым ячменем с биомассой и зерном различия достоверны при р<0,05 во всех вариантах опыта по отношению к контролю (137Сэ).

Следует отметить, что в процессе онтогенеза эта тенденция сохранялась. Так, несмотря на то, что абсолютные величины выноса 137Сэ с биомассой ячменя на 60-сутки и соломой возрастали, повышенное содержание СС и Со в почве приводило к существенному (80-90 %) уменьшению выноса радионуклида. Это объясняется тем, что именно в этих вариантах значительно снижались темпы роста растений и формирование продуктивных органов. Общей закономерностью было значительное снижение выноса 137Сэ за счет влияния повышенного содержания в почве ТМ (особенно, при совместном загрязнении).

Таким образом, на ранних стадиях развития ячменя величина подавления скорости поглощения радионуклида за счет внесения в почву СС и Со (как раздельно, так и совместно) в целом была либо ниже, либо сопоставима с депрессивным влиянием этих химических элементов на скорость прироста биомассы растений. Присутствующий в почве СС оказывал более существенное влияние на скорость накопления 137Сэ, чем Со. Максимальный эффект снижения удельной активности 137Сэ отмечен при полиэлементным загрязнением почвы ТМ. Снижение биомассы и урожая ячменя, а также скорости накопления 137Сэ обусловило снижение выноса 137Сэ с биомассой и зерном ячменя.

Литература

1. Алексахин Р.М., Фесенко С.В., Санжарова Н.И. и др. Концепция реабилитации загрязненных сельскохозяйственных угодий в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС //Вестник

РАСХН. - 2003. - № 3. - С. 14-17.

2. Генкель П.А. Физиология растений. - М.: Просвещение, 1975. - 335 с.

3. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. - М.: Наука, 1968. - 206 с.

4. Загрязнение почв и растительности тяжелыми металлами /Под ред. Большакова В.А., Гальпер Н.Я., Клименко Г.А., Лычкиной Т.И., Баштаевой Е.В. - М.: ВАСХНИЛ, 1978. - 52 с.

5. Ищенко Г.С., Бутник А.С., Афанасьева Т.Ф. Оценка совместного загрязнения урожая пшеницы свинцом, кадмием, стронцием-90 и цезием-137 //Агрохимия. - 1992. - № 6. - С. 99-103.

6. Лебедева А.Ф., Саванина Я.В., Барский Е.Л., Гусев М.В. Устойчивость цианобактерий и микроводорослей к действию тяжелых металлов: роль металлсвязывающих белков //Вест. Моск. Ун-та. -1998. - № 2, Сер. 16. Биология. - С. 42-49.

7. Методические указания по определению тяжелых металлов в кормах и растениях и их подвижных соединений в почвах. - М.: ЦИНАО, 1993. - С. 40.

8. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства (издание 2-е, переработанное и дополненное). - М.: ЦИНАО, 1992. - С. 61.

9. Поливода Б.И., Конев В.В., Попов Г.А. Биофизические аспекты радиационного поражения биомембран. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 160 с.

10. Практикум по агрохимии /Под ред. Б.А. Ягодина. - М: Агропромиздат, 1987. - 512 с.

11. Практикум по агрохимии: Учебное пособие /Под ред. академика РАСХН В.Г. Минеева. - М.: МГУ, 2001. - 689 с.

12. Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. Физико-механические механизмы и моделирование /Под ред. Алексахина Р.М. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 98 с.

13. Свириденко Д.Г. Влияние технологических приемов возделывания зерновых культур на накопление 137Cs и тяжелых металлов в урожае и биологическую активность почв: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.б.н. - Обнинск, 2006. - 28 с.

14. Iwai I., Hara T. Factors affecting cadmium uptake by the corn plant //Soil Sci. and Plant Nutr. - 1975. - V. 21, N 1. - P. 37-46.

15. Lepp N.W. Interaction between cadmium and other heavy in affecting the growth of lettuce seedlings //Z. Pflanzenphysiol. - 1977. - V. 84, N 4. - P. 363-367.

Cd and Co effects on the dynamics of 137Cs accumulation by barley in ontogenesis

Arysheva S.P.

Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology,

Russian Academy of Agricultural Sciences, Obninsk

The paper presents data from studying the influence of heavy metals on 137Cs accumulation in biomass and grain of spring barley, Elf variety. The presence in soil of Co and Cd at doses 20 and 25 times above the maximum permissible concentrations for soddy-podzolic medium loam soils is shown to reduce the radionuclide transfer to barley plants in ontogenesis. It has been found that at the early stages of barley development the inhibition value for 137Cs absorption rate due to application of heavy metals to the soil was slightly lower or comparable with the depressing effect of these chemical elements on the gain rate in plant biomass, which has caused a reduced transfer of the radionuclide with the barley yield.