Изучение ремедиационного потенциала сельскохозяйственных, дикорастущих и декоративных растений

На правах рукописи

Злобина Мария Владимировна ИЗУЧЕНИЕ РЕМЕДИАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ, ДИКОРАСТУЩИХ И ДЕКОРАТИВНЫХ РАСТЕНИЙ Специальность 03.02.13 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Москва - 2010      

Работа выполнена на кафедре геологии и ландшафтоведения ив Испытательном центре почвенно–экологических исследований

Научный консультант: – заслуженный деятель науки РФ, доктор биологических наук, профессор Ганжара Николай Фёдорович Официальные оппоненты : – доктор биологических наук, профессор Смагин Андрей Валентинович – кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Борисочкина Татьяна Ивановна Ведущая организация – Всероссийский научно–исследовательский институт агрохимии имени Д.Н.Прянишникова (ВНИИА)

Защита состоится 6 декабря 2010 года в 16 час. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 220.043.02 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А.Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ – МСХА имени К.А.Тимирязева».

Автореферат диссертации разослан 3 ноября 2010 г. и размещён на сайте университета www.timacad.ru Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Шнее Т.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, развитие транспорта и активизация добычи полезных ископаемых неизбежно приводят к загрязнению природных экосистем тяжёлыми металлами. При этом одним из основных объектов загрязнения является почва. В результате загрязнения снижается качество почв и ценность сельскохозяйственных угодий. Одним из наиболее серьезных аспектов этой проблемы является то, что поступившие в почву тяжёлые металлы и продукты их трансформации поглощаются растениями и накапливаются в них в концентрациях, опасных для здоровья человека и животных.

В настоящее время в индустриально развитых странах активно развиваются экономичные и мягкие технологии ремедиации почв, загрязненных тяжёлыми металлами, в основе которых лежит способность специально подобранных видов высших растений и ассоциированной с ними микробиоты поглощать и аккумулировать в своей биомассе тяжелые металлы в количествах, значительно превышающих их содержание в среде произрастания.

Впоследствии загрязненная биомасса удаляется и утилизируется. В настоящее время в мире идентифицировано около 400 видов растений– гипераккумуляторов различных металлов из 22 семейств, использование которых в качестве фиторемедиантов вызывает у исследователей большой интерес.

В области фиторемедиации работают научные коллективы во многих странах мира, в том числе России. В работах Черных Н.А., Минеева В.Г., Буравцева В.Н., Крыловой Н.П., Постникова Д.А., Мальцева В.Г., Павловской В.А., Brooks R., Ghosh М. и др. изложены основы фиторемедиации и изучена фиторемедиационная способность ряда растений.

Вместе с тем, при изучении процессов фиторемедиации затрагивается большой круг вопросов, касающихся поведения тяжёлых металлов в системе почва растение, что усиливает актуальность исследований по данной тематике.

Цель исследований состояла в выявлении перспективных для использования в фиторемедиационных технологиях растений в условиях комплексного загрязнения дерново-подзолистой почвы тяжелыми металлами.

В задачи исследований входило:

1. Определение содержания подвижных форм тяжёлых металлов (цинка, кадмия, свинца, никеля, меди и кобальта) в почвах при разном уровне их внесения.

2. Установление состояния и степени накопления биологической массы экспериментальных растений (кукурузы, бархатцев, львиного зева, шалфея, астр, душистого табака, амаранта, проса декоративного, мари белой, донника жёлтого, василька, горчицы белой, редьки масличной, алиссума, сорго, календулы и сурепицы) при разном уровне комплексного загрязнения почвы       тяжёлыми металлами.

3. Выявление растений, наиболее устойчивых к комплексному загрязнению тяжёлыми металлами при разных уровнях их внесения.

4. Определение содержания и характера распределения тяжёлых металлов в растениях между надземной массой и корневой системой.

5. Оценка ремедиационного потенциала экспериментальных растений с учётом показателей коэффициента биологического поглощения, коэффициента накопления, коэффициентов усвоения, транслокационного коэффициента и длительности ремедиации.

Научная новизна.  Коэффициенты биологического поглощения, накопления и усвоения характеризовались одинаковой направленностью для характеристики поглощения исследуемых тяжёлых металлов из почвы и накопления их растениями. Для свинца, цинка и меди с повышением уровня загрязнения все коэффициенты снижались;

кобальта и никеля – повышались;

кадмия – повышались по сравнению с контролем и далее были примерно на одинаковом уровне. Это можно объяснить различиями в токсичности тяжёлых металлов для исследуемых растений. Обратная связь между суммарным показателем загрязнения с одной стороны и этими коэффициентами с другой стороны для никеля, цинка и меди умеренная– сильная, для остальных элементов эта связь оказалась случайной.

Наибольшую устойчивость к комплексному загрязнению почвы тяжёлыми металлами проявили растения редьки масличной, календулы лекарственной и бархатцев. Масса их надземной части не изменялась с увеличением степени загрязнения, а у редьки масличной увеличилась по сравнению с контролем на 32%. Наименьшую устойчивость проявили шалфей лекарственный, просо декоративное, душистый табак (масса побегов при высоком уровне загрязнения по сравнению с контролем снизилась на 90%, 89% и 60% соответственно).

В условиях комплексного загрязнения почвы тяжёлыми металлами наблюдалась их низкая транслокационная способность в растениях.

Наименьшей подвижностью во всех растениях характеризовался свинец (транслокационные коэффициенты при всех уровнях загрязнения менее единицы), наибольшей – цинк в случае кукурузы и горчицы белой, кадмий – кукурузы и душистого табака, кобальт – львиного зева;

никель – алиссума морского и сахарного сорго.

Установлено, что ни одно из исследуемых растений не пригодно для существенного снижения валового содержания тяжёлых металлов и их подвижных форм (за исключением цинка и меди) в связи с длительностью процессов ремедиации. Ориентировочная длительность ремедиации почв при комплексном загрязнении почвы тяжёлыми металлами до фоновых значений по валовому содержанию растениями, которые накапливали их наибольшее количество, составляла 78–292300 лет, по подвижным формам – от 2– лет.

Практическая значимость исследований заключается в необходимости поиска малозатратных технологий восстановления почв, загрязнённых       тяжёлыми металлами. В диссертационной работе даны рекомендации для проверки в полевых условиях ремедиационной способности табака душистого и шалфея лекарственного по отношению к подвижному цинку и горчицы белой – к подвижным меди и никелю.

В связи с тем, что почвы таёжно–лесной, степной и сухостепных зон характеризуются относительно низким содержанием меди и цинка, представляет интерес использование золы и компостов из растений (в частности, табака душистого, шалфея лекарственного и горчицы белой), выращенных на загрязнённых почвах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на Международной научной конференции молодых учёных и специалистов «Вклад молодых учёных в развитие инноваций аграрной науки» (2009 год) и на Международной ежегодной научно практической конференции РГАУ–МСХА имени К.А.Тимирязева (2009 год).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе работы в журналах, включённых в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов, приложения. Библиографический список содержит 168 наименований источников на русском и иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н. Ганжаре Н.Ф., д.с.-х.н. Байбекову Р.Ф., д.б.н. Борисову Б.А., к.с.-х.н.

Андреевой И.В., коллективу Испытательного центра почвенно экологических исследований за оказанную помощь в проведении исследований, кафедре агрономической и биологической химии за предоставленную возможность проведения опытов в вегетационном домике.

Содержание работы.

Глава 1. Фиторемедиация почв, загрязнённых тяжёлыми металлами (обзор литературы).

Представлена характеристика исследуемых тяжёлых металлов, описаны их химические свойства и поведение в почвах и ландшафтах, а также приводятся источники поступления тяжёлых металлов в окружающую среду и почву. Даны характеристики существующих способов ремедиации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами, и приводятся уже известные растения аккумуляторы тяжёлых металлов.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

Объектом исследования являлась дерново-подзолистая среднесуглинистая почва, отобранная на Полевой опытной станции РГАУ МСХА имени К.А.Тимирязева со следующими показателями: рНсол.=5,7;

рНводн.=6,9;

содержание органического вещества 2,3%;

гидролитическая кислотность 3,1 ммоль/100 г, сумма поглощённых оснований 16,3 ммоль/ г, содержание подвижного фосфора 120 мг/кг и подвижного калия 104 мг/кг.

      В ходе исследований было проведено определение содержания подвижных форм тяжёлых металлов в почве, в надземной части опытных растений и в корнях при одновременном учёте массы побегов и корней.

При определении элементов в растительных образцах пробоподготовка проводилась в СВЧ–минерализаторе Anton Paar Multiwave 3000.

Определение подвижных форм металлов проводилось в ацетатно аммонийной вытяжке. Содержание тяжёлых металлов определялось атомно – абсорбционным методом посредством спектрометра ААС КВАНТ – 2 АТ согласно РД 52.18.191-90. Все определения проводили в мг/кг сухой почвы и сухой массы растений.

Для проведения исследований использовалась методика постановки вегетационного опыта в сочетании с моделированием загрязнения почвы несколькими тяжёлыми металлами. В ходе исследований использовались показатели суммарного загрязнения (СПЗ), коэффициента биологического поглощения (КБП), коэффициента накопления (КН), транслокационного коэффициента (ТК) и коэффициентов усвоения (КУ1, КУ2).

Суммарный показатель загрязнения является наиболее распространённым геохимическим показателем при оценке комплекса химического загрязнения почв и рассчитывается по следующей формуле:

СПЗ= Кс – (n – 1), где Кс – коэффициент концентрации аномального содержания элемента относительно его фонового содержания, n – число аномальных элементов (Геохимия окружающей среды. – М.: Недра, 1990).

При этом уровень загрязнения считается низким, если СПЗ находится в пределах 0–16, средним (умеренно–опасным), если СПЗ=16–32;

высоким (опасным), если СПЗ=32–128;

очень высоким (чрезвычайно опасным), если СПЗ128.

Коэффициент биологического поглощения представляет собой отношение содержания элемента в золе растений (надземной части) к его валовому содержанию в почве (Перельман, 1996). Если коэффициент биологического поглощения больше 1, тогда можно говорить о способности растения аккумулировать тот или иной элемент.

Коэффициент накопления – это отношение содержания элемента в надземной массе растения к его валовому содержанию в почве.

Коэффициент усвоения рассчитывался как отношение содержания элемента в золе (КУ1) и в массе надземной части растений (КУ2) к содержанию его подвижных форм в почве.

Транслокационный коэффициент отражает способность растений транспортировать те или иные элементы из корней в надземную часть и представляет собой отношение содержания элемента в надземной части растений к его содержанию в корнях. Чем он выше, тем в большей степени растение подходит для целей ремедиации, поскольку корни сложно извлечь из почвы.

Была проведена количественная оценка тесноты связи между СПЗ и       КБП, КН, КУ1, КУ2, ТК, а также между СПЗ и накоплением растениями биомассы. Для этого был рассчитан коэффициент корреляции r. Чем он ближе к 0, тем слабее связь между величинами. Наиболее тесная связь при прямой корреляции соответствует коэффициенту r, близкому к +1 (при обратной – к 1). Для оценки статистической достоверности факта обнаруженной связи использовалась корреляционная поправка Sr=(1-r2)/(n-1). Связь нельзя считать случайной при |r/Sr|=3. Расчёты проводились в Microsoft Office Excel 2003.

Для КБП, КН и КУ был проведён расчёт средних значений для каждого уровня загрязнения. В случае превышения значения того или иного коэффициента соответствующего среднего значения делался вывод о повышенной аккумулятивной способности растения по отношению к одному или нескольким элементам. В автореферате приведена характеристика таких растений.

Для оценки реальности применения растений в целях фиторемедиации были рассчитаны ориентировочные временные интервалы, необходимые для очистки почвы от тяжёлых металлов посредством испытуемых культур.

Расчёт проводился для растений с максимальными значениями КБП, КН, КУ при разных уровнях загрязнения почвы по следующей схеме: 1. Определение избытка валовых/подвижных форм элемента в почве в мг при данном уровне загрязнения по сравнению с контрольным (масса пахотного слоя площадью м2 принималась равной 300 кг);

2. Используя данные по биомассе надземной части растений одного сосуда, количества растений в сосуде и числа растений, необходимых для посева/посадки на 1 м2 была найдена биомасса, приходящаяся на 1 м2;

3. Исходя из известного содержания металлов в надземной части растений (по результатам анализов) и найденной биомассы (п.2) рассчитывался вынос валовых/подвижных тяжёлых металлов с м2. 4.

зная избыток элемента на 1м2 и вынос его с этой площади, был найден временной интервал, необходимый для очистки почвы.

Схема опыта.

1. NРК (контроль);

2. NРК + Co5Zn100Ni30Cd1Cu60Pb60 (низкий уровень загрязнения, СПЗ=12);

3. NРК + Co15Zn300Ni90Cd3Cu180Pb180 (средний уровень загрязнения, СПЗ=36);

4. NРК + Co25Zn500Ni150Cd5Cu300Pb300 (высокий уровень загрязнения, СПЗ=60).

Повторность опыта трёхкратная.

В опыте были использованы 17 видов сельскохозяйственных, дикорастущих и декоративных растений, относящихся к 9 различным семействам: Амарантовые (амарант бисквитный), Бобовые (донник жёлтый), Губоцветные (шалфей лекарственный), Злаковые (кукуруза, просо декоративное, сорго сахарное), Крестоцветные (горчица белая, редька масличная, сурепица яровая), Маревые (марь белая), Норичниковые (львиный зев), Паслёновые (душистый табак) и Сложноцветные (астры,       бархатцы, василёк синий, календула лекарственная).

Опыт закладывался в пластмассовых сосудах объёмом 1 л и 5 л.

Использовались сернокислые соли кадмия, никеля, цинка, меди, кобальта и уксуснокислый свинец. Расчёт вносимых доз солей тяжёлых металлов производился на массу абсолютно сухой почвы с учётом её влажности.

Полив производился по необходимости до уровня 70% от полной влагоёмкости. Исследования проводились в течение трёх лет.

Глава 3. Результаты исследований.

3.1 Содержание подвижных форм тяжёлых металлов в почве.

Содержание подвижного кадмия варьировало от 0,03 мг/кг в контроле до 0,95 мг/кг, при этом относительное его содержание (% от валового), как показали расчёты, изменялось от 7% в контроле до 19% при высоком уровне загрязнения почвы. Для свинца среднее содержание подвижных форм составляло 0,18 мг/кг (2% от валового содержания) в контрольном варианте и постепенно возрастало до 56,53 мг/кг;

доля подвижных форм данного элемента при всех уровнях загрязнения составляла 19-21%. Содержание подвижного цинка с увеличением уровня загрязнения изменялось от 1, мг/кг до 60,36 мг/кг, относительное его содержание в среднем не превышало 14 %. Содержание подвижных форм кобальта постепенно возрастало от 0, мг/кг до 2,59 мг/кг, при этом доля подвижных форм при низком уровне загрязнения несколько возросла (от 12% до 14%), а при среднем и высоком уровнях было отмечено снижение данного показателя до 9% и 10% соответственно. Содержание подвижной меди также становилось выше с увеличением уровня загрязнения (от 1,02 мг/кг до 64,55 мг/кг), относительное содержание изменялось от 9% до 22%. С увеличением уровня загрязнения среднее содержание подвижных форм никеля возрастало от 0, мг/кг до 7,01 мг/кг, при этом относительное их содержание увеличивалось при низком уровне до 8%, далее наблюдалось снижение до 4-5%.

Наблюдаемая вариабельность содержания данных металлов в почве при одинаковом уровне их внесения, по-видимому, является следствием неравномерного распределения небольшого количества вносимых элементов в относительно большом объёме почвы.

3.2 Биологическая масса растений.

Для большинства культур в сосудах с контрольным вариантом и в варианте с низким уровнем загрязнения опытные растения развивали большую биомассу, внешних признаков угнетения не наблюдалось. При среднем и высоком уровнях загрязнения растения по-разному реагировали на присутствие тяжелых металлов в среде произрастания. В большинстве случаев уже на стадии проростков проявлялись внешние признаки токсикоза, которые выражались в изменении окраски вегетативной массы и замедлении скорости роста. На более поздних стадиях развития растений были отмечены ярко выраженный некроз, антоциановая окраска листьев и побегов, гниение       корней, неодинаковое наступление фаз развития. В таблице 1 представлены результаты учёта биомассы опытных растений.

Таблица 1. Биомасса при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами, г/сосуд (в числителе представлена масса побегов, в знаменателе – масса корней) низкий средний высокий контроль уровень уровень уровень НСР0, 36,1 30,6 19,2 6,9 2, Марь белая 8,1 7,3 2,7 0,6 0, 27,5 33,3 12,9 26,1 2, Донник жёлтый 9,6 11,3 7,9 5,5 0, 15,8 15,2 18,9 16,8 2, Сурепица 9,0 10,2 11,7 13,6 1, 25,2 29,2 1,2 23,3 3, Горчица белая 1,6 1,7 1,3 0,2 0, 24,3 35,7 26,3 31,1 3, Редька масличная 1,7 3,4 2,4 1,7 0, 25,8 20,8 11,2 10,8 2, Кукуруза 5,8 6,3 2,8 1,9 0, 2,8 3,4 3,1 2,4 0, Алиссум морской 0,3 0,5 0,4 0,2 0, 57,5 50,2 12 31,4 4, Амарант бисквитный 9,3 7,6 4,0 2,4 1, 17,8 12,7 8,5 7,4 1, Астры 2,3 1,8 1,7 0,3 0, 16,2 14,1 16,9 14,1 2, Бархатцы 2,1 1,9 1,8 1,9 0, 24,8 21,9 1,6 26,6 5, Василёк синий 1,5 1,4 1,7 0,2 0, 8,2 6,4 3,3 2,8 0, Душистый табак 1,1 0,5 0,4 0,2 0, Календула 12,7 11,68 11,68 9,53 1, лекарственная 4,4 4,1 3,9 3,2 0, 23,7 17 20,6 14,5 2, Львиный зев 2,7 3,3 2,3 1,5 0, 55,8 47 5,6 33,9 3, Просо декоративное 13,4 11,6 8,1 0,9 1, 21,7 27,7 24,2 23,7 4, Сорго сахарное 18,7 25,5 22,1 21,9 5, Шалфей 3,1 0,9 0,3 0,3 0, лекарственный 1,7 0,8 0,5 0,4 0, У таких растений, как марь белая, донник жёлтый, горчица белая, кукуруза, амарант бисквитный, астры, василёк синий, львиный зев и сорго сахарное, наибольшее накопление биомассы наблюдалось в варианте с внесением тяжелых металлов при низком уровне загрязнения, что является, очевидно, следствием неоднократно отмечаемого многими исследователями       определенного стимулирующего эффекта под действием низких концентраций тяжелых металлов.

Наибольшую устойчивость к комплексному загрязнению почвы тяжёлыми металлами проявили растения редьки масличной, календулы лекарственной и бархатцев. Масса их надземной части не изменялась с увеличением степени загрязнения, а у редьки масличной увеличилась по сравнению с контролем на 32%. Наименее устойчивыми к действию тяжёлых металлов оказались душистый табак, просо декоративное и шалфей лекарственный. Биомасса этих растений снижалась по мере увеличения уровня загрязнения почвы.

Следует отметить тот факт, что растения кукурузы, алиссума морского, проса декоративного, сорго сахарного, и, в особенности, табака душистого и шалфея лекарственного в полевых условиях обычно имеют значительно большую массу побегов по сравнению с полученной в вегетационном опыте.

Изменение массы корней по вариантам происходило также по-разному, в зависимости от вида растения. У донника, горчицы, кукурузы, львиного зева и сорго сахарного, подобно массе надземной части, наблюдалось существенное увеличение массы корней при низком уровне загрязнения, при повышении уровня загрязнения происходило её снижение. Аналогично изменялась масса корней алиссума и редьки масличной. У таких растений, как марь белая, амарант и просо декоративное, масса корней уменьшалась с увеличением уровня загрязнения почвы, а у астр, календулы и василька данный показатель существенно снизился лишь в последнем варианте опыта.

Самыми чувствительными оказались шалфей и табак – масса корней уменьшилась в 2,1-2,2 раза уже при низком уровне загрязнения. Масса корней бархатцев оставалась неизменной. Только в случае сурепицы яровой данный показатель существенно увеличивался с повышением степени загрязнения почвы.

Таким образом можно констатировать, что растения различаются по степени толерантности к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве.

В результате корреляционного анализа была выявлена сильная обратная связь между надземной биомассой и СПЗ для растений мари (r=-0,99, Sr=0,002, |r/Sr|=486), донника жёлтого (r=-0,88, Sr=0,13, |r/Sr|=6,78), горчицы белой (r=-0,89, Sr=0,12, |r/Sr|=7,55), кукурузы (r=-0,92, Sr=0,09, |r/Sr|=10), амаранта (r=-0,99, Sr=0,01, |r/Sr|=99), астр (r=-0,90, Sr=0,11, |r/Sr|=8,4), бархатцев (r=-0,91, Sr=0,10, |r/Sr|=9,11), василька синего (r=-0,91, Sr=0,10, |r/Sr|=8,99), душистого табака (r=-0,94, Sr=0,07, |r/Sr|=12,98), календулы (r= 0,92, Sr=0,09, |r/Sr|=10,6), львиного зева (r=-0,80, Sr=0,21, |r/Sr|=3,7) и шалфея лекарственного (r=-0,75, Sr=0,25, |r/Sr|=3,0). Для остальных растений опыта выявленная связь носила случайный характер.

3.3 Характеристика ремедиационной способности растений по отношению к кадмию.

Наибольшее содержание кадмия в корнях отмечено в условиях сильного загрязнения у мари белой (165,5 мг/кг), а также у львиного зева (67,9 мг/кг),       амаранта бисквитного (70,2 мг/кг) и бархатцев (73,6 мг/кг). Однако его содержание в надземной части мари и бархатцев при всех уровнях загрязнения было намного ниже, чем у амаранта и львиного зева (у мари резко снизилось в последнем варианте). Для амаранта бисквитного содержание кадмия в побегах увеличивалось от 0,2 мг/кг в контрольном варианте до 104,1 мг/кг при высоком уровне загрязнения, у львиного зева – от 0,1 мг/кг до 103,9 мг/кг соответственно.

Значения КБП, КН и КУ для данных растений превышали средние значения во всех вариантах опыта, кроме контрольного. Содержание кадмия в надземной части данных растений при среднем уровне загрязнения в 2 раза превышало его содержание в корнях (ТК для амаранта бисквитного равнялся 1,98, львиного зева – 2,04), при высоком уровне – в 1,5 раза (1,48 и 1, соответственно).

Расчёт временных периодов показал, что для очистки почв от валового/подвижного кадмия посредством амаранта бисквитного потребуется при низком уровне загрязнения 78/69 лет, при среднем – 131/125 лет и при высоком – 176/173 года, посредством львиного зева – 73/86 лет, 56/76 лет и 71/69 лет соответственно.

КБП КН среднее 1200 20 значение 15 амарант бисквитный 600 400 львиный зев 1 2 3 1 2 3 Рис.1 Коэффициенты биологического поглощения и накопления кадмия для амаранта бисквитного и львиного зева (здесь и далее 1–контроль, 2–низкий уровень загрязнения, 3–средний уровень, 4–высокий уровень загрязнения) КУ1 КУ 12000 среднее 150 значение амарант бисквитный 50 львиный зев 0 1 2 3 1 2 3 Рис.2 Коэффициенты усвоения кадмия для амаранта бисквитного и львиного зева при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами       Корреляционный анализ не выявил связи между СПЗ и КБП, КН, КУ.

Таким образом, можно сделать вывод, что среди изученных растений амарант и львиный зев обладают наиболее выраженной аккумулятивной способностью по отношению к кадмию в условиях комплексного загрязнения почвы. Однако для целей ремедиации данные растения не подходят из-за большого временного периода, необходимого для очистки.

3.4 Характеристика фиторемедиационной способности растений по отношению к свинцу.

Наибольшее содержание свинца в корнях отмечено у алиссума морского, душистого табака и шалфея лекарственного, календулы лекарственной и сорго декоративного, при этом у первых трёх растений отмечалось снижение данного показателя при высоком уровне загрязнения по сравнению со средним уровнем. У календулы содержание свинца в корнях постепенно увеличивалось от 4,51 мг/кг в контрольном варианте до 23,85 мг/кг в четвёртом, у сорго – от 2,87 мг/кг до 54,92 мг/кг соответственно.

Максимальное содержание данного элемента в побегах также во всех вариантах отмечено у алиссума морского, душистого табака и шалфея лекарственного, при этом у алиссума и табака, как и в корнях, наблюдалось снижение концентрации при высоком уровне загрязнения по сравнению со средним, а у шалфея содержание свинца постепенно снижалось от 40,1 мг/кг в контроле до 15,3 мг/кг в последнем варианте.

Параметры накопления и распределения свинца в экспериментальных растениях подчиняются общей закономерности, отмеченной также другими исследователями, данный элемент имеет низкую подвижность не только в почве, но и в растениях, ТК в отношении данного элемента практически у всех растений меньше единицы.

КН КБП 70 1, среднее 60 1, значение 50 0, 0,6 алиссум морской 0, 0, 10 ш ей алф 0 0, 1 2 3 4 1 2 3     Рис.3 Коэффициенты биологического поглощения и накопления свинца для алиссума морского и шалфея лекарственного при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами       КУ1 КУ 400 среднее 4 значение 3 алиссум морской 100 ш ей алф 0 1 2 3 1 2 3 Рис.4 Коэффициенты усвоения свинца для алиссума морского и шалфея лекарственного при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами Относительно высокие значения КБП, КН и КУ также имели алиссум морской и шалфей лекарственный, однако данные растения в условиях опыта набрали очень низкую биологическую массу, и в результате расчёт временных периодов показал непригодность исследуемых растений для очистки загрязнённых свинцом почв (для очистки почвы от валового/подвижного свинца посредством алиссума морского понадобится от 24709/3191 года, шалфея лекарственного – от 51978/6702 лет и выше).

Корреляционный анализ показал, что выявленная обратная связь между СПЗ и КБП, КН, КУ носила случайный характер.

Следовательно, по отношению к свинцу наиболее выраженную аккумулятивную способность проявили алиссум морской и шалфей лекарственный, однако из-за низких ТК и больших периодов ремедиации они не могут быть рекомендованы для целей очистки почв от данного элемента.

3.5 Характеристика фиторемедиационной способности растений по отношению к цинку.

Все исследуемые растения, согласно полученным данным, активно поглощали цинк из почвы при любом уровне загрязнения. В корнях наибольшее содержание этого металла отмечено у душистого табака (от мг/кг в контрольном варианте до 2855 мг/кг при высоком уровне загрязнения) и шалфея лекарственного (от 1798 мг/кг до 2858 мг/кг).

По содержанию цинка в надземной массе лидирующими оказались также душистый табак и шалфей лекарственный (в условиях высокого уровня загрязнения содержание этого элемента было равным 3354 мг/кг и 2789 мг/кг соответственно, что превышало значения контрольного варианта в 4,5 и 3, раз.

Значения КБП, КН и КУ для этих растений были самыми высокими. ТК во всех вариантах, кроме контрольного (и низкого для шалфея), превышал 1.

Корреляционный анализ показал, что при увеличении уровня загрязнения значения КБП, КН и КУ уменьшаются неслучайно, то есть существует умеренная обратная связь между СПЗ и поглощением растениями       цинка.

Были определены временные интервалы, необходимые для очистки почв от валового/подвижного цинка. Так при выращивании табака душистого на очистку почвы уйдёт ориентировочно при низком уровне загрязнения 230/ года, при среднем 1154/309 лет, при высоком 1525/278 лет, шалфею потребуются более длительные периоды – 2164/3 года, 12091/2676 лет и 19019/6284 года соответственно.

КН КБП среднее 1500 значение 1000 душ истый табак 500 ш ей алф 0 1 2 3 4 1 2 3 Рис.5 Коэффициенты биологического поглощения и накопления цинка для душистого табака и шалфея лекарственного при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами КУ1 КУ среднее значение 400 душ истый табак 10000 ш ей алф 0 1 2 3 4 1 2 3 Рис.6 Коэффициенты усвоения цинка для душистого табака и шалфея лекарственного при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами На основании полученных данных можно сделать вывод, что среди исследуемых растений душистый табак и шалфей лекарственный в большей степени проявляют аккумулятивную способность по отношению к цинку, тем не менее расчёт временных периодов показал несостоятельность идеи их использования в целях ремедиации. Однако в связи с тем, что биомасса данных растений в условиях вегетационного опыта была намного ниже возможной, требуются дальнейшие исследования ремедиационных свойств шалфея и табака.

      3.6 Характеристика фиторемедиационной способности растений по отношению к кобальту.

Кобальт максимально накапливался в корнях мари белой, при этом его содержание постепенно изменялось от 5,3 мг/кг в контроле до 19,6 мг/кг в последнем варианте.

В надземную часть растений из корней кобальт слабо транспортировался (ТК меньше 1). Исключение составлял львиный зев (ТК достигал 4,13 в условиях сильного загрязнения), при этом содержание кобальта в его побегах по сравнению с остальными видами растений было значительно выше (возрастало от 0,8 мг/кг в контроле до 13,2 мг/кг при высоком уровне).

КН КБП 35 0, 30 0,5 среднее 25 0,4 значение 0, 0,2 львиный зев 0, 0 0, 1 2 3 1 2 3 Рис.7 Коэффициенты биологического поглощения и накопления кобальта для львиного зева при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами КУ1 КУ 400 среднее 300 значение 200 львиный 100 зев 0 1 2 3 1 2 3 Рис.8 Коэффициенты усвоения кобальта для львиного зева при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами КБП, КН и КУ львиного зева по кобальту во всех вариантах выше средних значений (при низком уровне загрязнения – на уровне средних). В результате корреляционного анализа установлено, что выявленная слабая связь между СПЗ и КБП, КН, КУ оказалась случайной.

При расчёте периодов ремедиации для львиного зева получено, что при низком уровне загрязнения для очистки от валового/ подвижного кобальта       необходимо 2475/206 лет, при среднем – 1575/92 года, при высоком – 2663/180 лет.

То есть можно говорить об аккумулятивной способности львиного зева в отношении к кобальту, однако рекомендовать для целей ремедиации данное растение не представляется возможным.

3.7 Характеристика фиторемедиационной способности растений по отношению к меди.

Наибольшее содержание меди в корнях отмечено у мари белой, бархатцев и проса декоративного. У мари концентрация увеличивалась от 9, мг/кг до 36,9 мг/кг при высоком уровне загрязнения, у бархатцев – от 5, мг/кг до 29,8 мг/кг, у проса декоративного значительное изменение произошло при среднем уровне (концентрация меди возросла от 9 мг/кг до 43,4 мг/кг, тогда как в последнем варианте произошло снижение данного показателя до 25,6 мг/кг).

У большинства экспериментальных растений содержание меди в корнях превышало её содержание в надземной части.

КН КБП 10 среднее 300 значение горчица белая 100 василёк синий 0 1 2 3 1 2 3 Рис.9 Коэффициенты биологического поглощения и накопления меди для горчицы белой и василька синего при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами КУ1 КУ 500 среднее 6 значение 300 горчица белая 2 василёк синий 0 1 2 3 4 1 2 3 Рис.10 Коэффициенты усвоения меди для горчицы белой и василька синего при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами Наибольшим содержанием меди в побегах отличались растения львиного       зева и василька – 19,4 и 23,8 мг/кг воздушно-сухой массы соответственно, причем у василька это значение несколько снизилось по сравнению со средним уровнем загрязнения.

Значения КБП, КН и КУ превышали средние значения в случае горчицы белой и василька синего (кроме четвёртого варианта).

При расчёте показателей корреляции установлена обратная связь между СПЗ и КБП, КН, КУ.

В ходе расчётов установлена ориентировочная продолжительность очистки почвы от валовой/подвижной меди при низком, среднем и высоком уровнях загрязнения. Так посредством выращивания горчицы белой потребуется 278/1 год, 22729/115 лет и 2006/12 лет соответственно, посредством василька синего – 3380/14 лет, 268176/2232 года и 448845/ лет при разных степенях загрязнения.

Таким образом, согласно параметрам накопления и распределения в растениях, горчица белая и василёк синий проявили лучшую аккумулятивную способность в отношении меди. Для целей ремедиации слабо загрязнённых медью почв горчицу белую можно рекомендовать условно, так как требуется изучение её свойств в полевых условиях.

3.8 Характеристика фиторемедиационной способности растений по отношению к никелю.

Данные по содержанию никеля в экспериментальных растениях свидетельствовали о его способности легко поступать в корни, а у некоторых растений и в надземные органы. Так максимальные содержания данного металла отмечено у донника жёлтого 363,1 мг/кг), амаранта бисквитного (368,0 мг/кг) и проса декоративного (1086,2 мг/кг) при высоком уровне загрязнения.

Для большинства растений опыта наблюдалось сильное увеличение содержания никеля в надземной части при высоком уровне загрязнения. Так у мари белой оно равно 112 мг/кг, амаранта бисквитного – 119,6 мг/кг, бархатцев – 120,2 мг/кг.

КБП, КН и КУ были выше средних значений во всех вариантах опыта для мари, горчицы, амаранта бисквитного и львиного зева. Следует отметить чувствительность горчицы и мари белой к сильному загрязнению почв тяжёлыми металлами, о чём свидетельствует резкое снижение массы побегов в четвёртом варианте по сравнению с третьим. При этом ТК лишь горчицы белой превышал 1 и доходил до 4,23 при высоком уровне загрязнения.

Корреляционный анализ показал наличие обратной связи между СПЗ и КБП, КН и КУ.

      КБП КН 1, среднее 50 0,8 значение марь 0, 30 горчица 0,4 белая 20 амарант 0, 10 бисквитный львиный зев 0 0, 1 2 3 4 1 2 3 Рис.11 Коэффициенты биологического поглощения и накопления никеля для мари белой, горчицы белой, амаранта бисквитного и львиного зева при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами КУ1 КУ среднее 1000 значение марь горчица 10 белая 400 амарант 5 бисквитный львиный зев 0 1 2 3 1 2 3 Рис.12 Коэффициенты усвоения никеля для мари белой, горчицы белой, амаранта бисквитного и львиного зева при разных уровнях загрязнения почвы тяжёлыми металлами Рассчитаны периоды времени, необходимые для очистки почв, загрязнённых никелем, посредством горчицы (расчёт проводился с учётом валовых/подвижных форм элемента). Так при низком уровне загрязнения почвы тяжёлыми металлами необходимо 249/7 вегетационных периода, при среднем – 454/15 и 3361/100 при высоком уровне.

Согласно полученным данным, более выраженной аккумулятивной способностью по отношению к никелю в условиях комплексного загрязнения обладают растения мари белой, горчицы белой, амаранта бисквитного и львиного зева. Необходимо дальнейшее исследование ремедиационных свойств горчицы белой в полевых условиях.

Таким образом, данные по накоплению и распределению шести тяжелых металлов в ряде сельскохозяйственных, дикорастущих и декоративных растений свидетельствуют, что ни одно из них не является гипераккумулятором в отношении изученных металлов в условиях комплексного загрязнения. Однако некоторые из экспериментальных       растений в отношении определённого металла (или нескольких металлов) показали выраженную способность к накоплению и/или способность к их транслокации из корней в надземные органы.

Выводы.

1. В условиях вегетационных опытов проведено испытание ремедиационной способности ряда сельскохозяйственных (донника жёлтого, кукурузы, редьки масличной, горчицы белой, сурепицы яровой, сорго сахарного), дикорастущих (мари белой) и декоративных культур (амаранта бисквитного, астр, бархатцев, василька синего, душистого табака, календулы лекарственной, львиного зева, проса декоративного и шалфея лекарственного) для дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы при её загрязнении кадмием, свинцом, цинком, кобальтом, медью и никелем на основании показателей накопления и распределения элементов в растениях (коэффициентов биологического поглощения, накопления, усвоения и транслокационного коэффициента) и длительности периодов ремедиации.

2. Для большинства культур в контрольном варианте и при низком уровне загрязнения опытные растения развивали большую биомассу, внешних признаков угнетения не наблюдалось. При среднем и высоком уровнях в большинстве случаев уже на стадии проростков появлялись внешние признаки токсикоза, которые выражались в изменении окраски вегетативной массы и замедленном росте, на более поздних стадиях развития растений были ярко выражены некроз, антоциановая окраска листьев и побегов, гниение корней или задержка в наступлении фаз развития. В результате корреляционного анализа была выявлена сильная обратная связь между надземной биомассой и СПЗ для растений мари, донника жёлтого, горчицы белой, кукурузы, амаранта, астр, бархатцев, василька синего, душистого табака, календулы, львиного и шалфея лекарственного. Для сурепицы яровой, редьки масличной, алиссума морского, проса декоративного и сорго сахарного выявленная связь носила случайный характер.

3. В условиях комплексного загрязнения почвы тяжёлыми металлами наблюдалась их низкая транслокационная способность в растениях.

Наименьшей подвижностью во всех растениях характеризовался свинец (транслокационные коэффициенты при всех уровнях загрязнения менее единицы), наибольшей – цинк в случае кукурузы и горчицы белой, кадмий – кукурузы и душистого табака, кобальт – львиного зева;

никель – алиссума морского и сахарного сорго.

4. Наибольшую устойчивость к комплексному загрязнению почвы тяжёлыми металлами проявили растения редьки масличной, календулы лекарственной и бархатцев. Масса их надземной части не изменялась с увеличением степени загрязнения, а у редьки масличной увеличилась по сравнению с контролем на 32%. Наименьшую устойчивость проявили шалфей лекарственный, просо декоративное, душистый табак (масса побегов при высоком уровне загрязнения по сравнению с контролем снизилась на       90%, 89% и 60% соответственно).

5. Коэффициенты биологического поглощения, коэффициенты накопления и коэффициенты усвоения характеризовались одинаковой направленностью для характеристики поглощения исследуемых тяжёлых металлов из почвы и накопления их растениями. Для свинца, цинка и меди с повышением уровня загрязнения все коэффициенты снижались;

кобальта и никеля – повышались;

кадмия – повышались по сравнению с контролем и были примерно на одинаковом уровне. Это можно объяснить различиями в токсичности тяжёлых металлов для исследуемых растений. Обратная связь между суммарным показателем загрязнения с одной стороны и коэффициентами биологического поглощения, накопления и усвоения с другой стороны для никеля, цинка и меди умеренная–сильная, для остальных элементов эта связь оказалась случайной.

6. Установлено, что ни одно из исследуемых растений не пригодно для существенного снижения валового содержания тяжёлых металлов и их подвижных форм в связи с длительностью процессов ремедиации, за исключением табака и шалфея лекарственного по отношению к подвижному цинку и горчицы белой – к подвижным меди и никелю.

7. Ориентировочная длительность ремедиации почв при комплексном загрязнении почвы тяжёлыми металлами до фоновых значений по валовому содержанию растениями, которые накапливали их наибольшее количество, составляла 78–292300 лет, по подвижным формам – от 2–26700 лет, что указывает на непригодность использования данных растений для целей ремедиации. В отношении очистки почвы от цинка душистым табаком и шалфеем лекарственным и от меди и никеля горчицей белой необходимо проведение дополнительных, в том числе полевых исследований.

      Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Злобина М.В. Фиторемедиация почв, загрязнённых тяжёлыми металлами./ И.В. Андреева, Р.Ф. Байбеков, М.В. Злобина// Природообустройство. 2009. №5. С. 5-11.

2. Злобина М.В. Определение фиторемедиационного потенциала дикорастущих и культурных растений/ И.В. Андреева, Р.Ф. Байбеков, Н.Ф. Ганжара, М.В. Злобина// Известия Международной академии аграрного образования. 2009. №8. С. 8-12.

3. Злобина М.В. Международная научная конференция молодых учёных и специалистов «Вклад молодых учёных в развитие инноваций аграрной науки»: Сб.ст./Отв. ред. М.: Издательство РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, 2009.

4. Злобина М.В. Фиторемедиационная способность дикорастущих и культурных растений / И.В. Андреева, М.В. Злобина, Р.Ф. Байбеков, Н.Ф. Ганжара// Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2010. №1. С. 8-17.

5. Злобина М.В. Исследование параметров аккумуляции тяжёлых металлов культурными и декоративными растениями при комплексном загрязнении почвы в целях фиторемедиации.

И.В. Андреева, Р.Ф. Байбеков, М.В. Злобина// Доклады ТСХА: Сб.ст. / Отв. ред. М.: Издательство РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, 2010. Вып. 282. Часть I. С. 661-663.

6. Злобина М.В. Поиск растений-фиторемедиантов путём постановки вегетационных опытов. М.В. Злобина, И.В. Андреева, Д.Е. Волоскова Доклады ТСХА: Сб.ст. / Отв. ред. М.: Издательство РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, 2010. Вып. 282. Часть I. С. 669-671.

7. Злобина М.В. Фиторемедиационная способность культурных и декоративных растений при комплексном загрязнении почв тяжёлыми металлами / Р.Ф. Байбеков, Н.Ф. Ганжара, М.В. Злобина // Плодородие. 2010. №5. С. 42-43.