Фоновое содержание и состав соединений цинка, меди и свинца в черноземе обыкновенном естественных ландшафтов Ростовской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

фоновое содержание и состав соединений цинка, меди и свинца в черноземе обыкновенном естественных ландшафтов ростовской области

Т. В. Бауэр, Т. М. Минкина, С. С. Манджиева, В. А. Чаплыгин, Д. Г. Невидомская, С. Н. Сушкова

Академия биологии и биотехнологии имени Д. И. Ивановского Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, Российская Федерация

С. Ю. Бакоев

Донской государственный аграрный университет, Персиановский, Российская Федерация

Актуальность исследования связана с тем, что подвижность таких важных микроэлементов, как Zn и Cu, определяет условия питания растений. Эти же элементы, как и Pb, входят в число наиболее распространенных тяжелых металлов, от подвижности которых в почве зависит безопасность получаемой растительной продукции. Целью данной работы является изучение содержания и состава соединений Zn, Cu и Pb в почвах естественных ландшафтов Ростовской области. Исследования проводили на целинном участке, представленном черноземом обыкновенным тяжелосуглинистым. В верхнем слое (0-20 см) почвы методом рентгенофлуоресцентного анализа исследовано общее содержание микроэлементов. Подвижные формы Zn, Cu и Pb были определены тремя параллельными вытяжками: 1 н. ААБ (ацетатно-аммонийный буфер) с pH 4,8; 1 % ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота) в ААБ с pH 4,8 и 1 н. HCl. Данные вытяжки позволяют установить обменные, комплексные и специфически сорбированные формы химических элементов в почве. Для выявления роли почвенных компонентов в связывании металлов был использован метод последовательного фракционирования по схеме Тессиера. Общее содержание Zn, Cu и Pb в почве характеризует фоновый уровень и не превышает ПДК данных элементов. Характерной особенностью черноземов обыкновенных является низкая подвижность металлов за счет присутствия мицелярных форм карбонатов. Наименьшим содержанием обменных соединений среди рассматриваемых элементов характеризуется Zn. Подвижные формы Zn, Cu и Pb в основном представлены специфически сорбированными формами. Установлено, что исследуемые элементы в черноземе обыкновенном аккумулируются преимущественно в составе глинистых минералов. Фракционный состав металлов показал их тесную связь с органическим веществом и Fe-Mn оксидами.

Ключевые слова: цинк, медь, свинец, чернозем обыкновенный, состав соединений, подвижность.

T. V. Bauer, T. M. Minkina, S. S. Mandzhieva, V. A. Chaplygin, D. G. Nevidomskaya, S. N. Sushkova

Academy of Biology and Biotechnology named after D. I. Ivanovsky of Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russian Federation

S. Yu. Bakoev

Don State Agrarian University, Persianovsky, Russian Federation

BACKGROUND CONTENT AND COMPOSITION OF ZINC, COPPER AND LEAD COMPOUNDS IN ORDINARY CHERNOZEM OF NATURAL LANDSCAPES OF THE ROSTOV REGION

The urgency of the research is due to the fact that mobility of such essential microelements as Zn and Cu determines nutritional conditions for plants. The same elements, along with Pb, are reckoned among most distributed heavy metals which mobility determines safety of vegetative production. The aim of this work is to study the content and composition of Zn, Cu and Pb compounds in soils of natural landscapes of the Rostov region. The study was carried out on the virgin plot of heavy loam ordinary chernozem. The total content of microelements in topsoil layer (0-20 cm) was investigated by X-Ray Fluorescence (XRF) analysis. Mobile forms of Zn, Cu and Pb were determined in three parallel extracts: 1 N AAB (acetate-ammonium buffer) at pH 4.8; 1 % EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) in AAB at pH 4.8; and 1 N HCl. These extracts enable to determine exchangeable, complex, and specifically adsorbed forms of chemical elements in soil. To reveal the role of soil components in metal binding, sequential extraction procedure by Tessier et al. was used. Total content of Zn, Cu and Pb in soil shows the background level and doesn't exceed maximum allowable concentration of the given elements. The specific characteristic of ordinary chernozem is low mobility of metals due to the presence of micellar forms of carbonates. The least content of exchangeable compounds among considered elements belongs to Zn. The mobile forms of Zn, Cu and Pb mainly represented by specifically adsorbed forms. It is established that the elements under study in ordinary chernozem mainly accumulate in clay minerals. Fractional composition of metals showed their close connection with organic matter and Fe-Mn oxides.

Keywords: zinc, copper, lead, ordinary chernozem, composition of compounds, mobility.

микроэлемент почва металл подвижность

Введение

Ростовская область играет значительную роль в обеспечении продовольственной безопасности России. Здесь расположены и занимают наибольшую территорию самые плодородные почвы мира - черноземы. Их принято считать почвами оптимального микроэлементного состава, своего рода эталонами. Однако из-за высокой карбонатности в природных условиях отмечается недостаток многих микроэлементов, в частности меди и цинка [1]. Содержание элементов и их подвижность в почве определяют условия питания растений.

Из большого спектра поллютантов цинк, медь и свинец заслуживают особого внимания. Соединения данных токсикантов относятся к группе приоритетных загрязняющих веществ окружающей среды и являются элементами 1-го и 2-го класса опасности. Их повышенные концентрации в почвах сельскохозяйственных угодий могут образовываться в зонах воздействия промышленных предприятий и транспортных магистралей [2]. В то же время при низких концентрациях медь и цинк являются физиологически активными микроэлементами.

Цинк принимает активное участие в углеводном и белковом обмене, синтезе ДНК, РНК, хлорофилла, входит в состав многих ферментов и влияет на формирование генеративных органов растений. При его недостатке прекращается образование семян и развитие листьев, возникает хлороз [3].

Медь, так же как и цинк, жизненно необходима для растений, так как выполняет разнообразные каталитические и регуляторные функции метаболических процессов. Однако при высоких концентрациях она обладает высокой токсичностью, мутагенным и канцерогенным действием на живые организмы, способна к биоаккумуляции [4].

Биологическая роль свинца изучена весьма слабо, однако в небольших количествах он способен оказывать стимулирующее действие на рост и развитие растений. Его дефицит в растениях возможен при содержании элемента в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества [2]. Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка и некоторых макроэлементов. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции.

Определение состава соединений цинка, меди и свинца в почвах с учетом их региональных особенностей необходимо для прогнозирования и оценки обеспеченности данными элементами растений и животных, разработки систем применения удобрений с целью оптимизации питания растений, экологического мониторинга.

Целью данной работы является изучение содержания и состава соединений Zn, Cu и Pb в черноземе обыкновенном естественных ландшафтов Ростовской области.

Материалы и методы исследований

Для проведения исследований отбирался верхний слой (0-20 см) почвы целинного участка, представленный черноземом обыкновенным тяжелосуглинистым на лессовидных суглинках, учебно-опытного хозяйства «Донское» ДонГАУ (Октябрьский район Ростовской области). Хозяйство располагается в степной зоне, где ограничивающим фактором роста и развития растений является прежде всего континентальность и засушливость климата (ГТК = 0,7-0,8) [5]. Лето жаркое. Сумма активных температур составляет 3200-3400 °С. Продолжительность безморозного периода - 180-190 дней [6].

Структура гумусового горизонта целинного чернозема обыкновенного комковато-зернистая. Гранулометрический состав - тяжелосуглинистый. Физические и химические свойства данной почвы представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические свойства чернозема обыкновенного (учхоз «Донское» Октябрьского района Ростовской области, слой 0-20 см)

В верхнем горизонте содержание карбонатов незначительное (0,1 %). Сумма поглощенных оснований равна 356 ммоль•кг-1 почвы. В составе поглощенных оснований преобладает кальций, на долю которого приходится 87 % от суммы обменных катионов. Магния содержится приблизительно 13 %, и в очень небольшом количестве, менее 0,3 %, присутствует натрий. Данный состав поглощенных оснований вместе со значительным содержанием органического вещества и лессовидным характером почвообразующей породы обусловил благоприятные водно-физические свойства описываемых черноземов.

Физико-химический анализ состава исследуемой почвы проводили общепринятыми агрохимическими методами [7]: реакция почвенного раствора (рН водной вытяжки) - потенциометрическим в суспензиях при соотношении почва : вода = 1 : 2,5; общее содержание гумуса - по методу Тюрина в модификации Симакова; емкость катионного обмена (ЕКО) - по Бобко - Аскинази; подвижные формы фосфора и калия - по методу Мачигина [7]. Обменные катионы определяли по методу Шаймухаметова [8]; содержание карбонатов - ацидометрическим методом [9]. Гранулометрический состав почвы устанавливали по методу Качинского [10].

Общее содержание исследуемых элементов в почвенных пробах определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа на приборе «Спектроскан MAKC-GV».

Для исследования подвижных форм Zn, Cu и Pb использовали [11] (таблица 2) 1 н. ацетатно-аммонийный буфер (ААБ) с pH 4,8, извлекающий обменные формы элементов; раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) (1 %) в ААБ с pH 4,8, извлекающий обменные и комплексные формы, и 1 н. HCl, извлекающий кислоторастворимые формы. По разнице между содержанием элемента в вытяжке смешанного реагента и ААБ определялось количество комплексных соединений. Количество специфически сорбированных соединений находили по разнице между содержанием элемента в вытяжке HCl и ААБ.

Таблица 2 - Параллельное экстрагирование металлов

Суммарное содержание обменных, комплексных и специфически сорбированных соединений образует группу непрочно связанных соединений элемента, характеризующую его подвижность в почве. Содержание металлов в вытяжках определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС).

Для выявления роли различных компонентов почвы в связывании элемента был использован метод последовательных селективных экстракций Тессиера [12], в котором фракционирование ведется по схеме, представленной в таблице 3. Определение Zn, Cu и Pb в экстрактах проводили методом ААС.

Таблица 3 - Схема последовательных селективных экстракций [12]

Все анализы выполнены в трехкратной аналитической повторности, их результаты статистически обработаны.

Результаты и обсуждение. Общее содержание Zn в исследуемой почве (0-20 см) составляет 85 мг/кг, Cu - 45 мг/кг и Pb - 29 мг/кг, что характеризует фоновый уровень данных элементов в черноземе обыкновенном [13].

Для определения токсичности металлов недостаточно изучения только валового содержания, в связи с чем возникает объективная необходимость в изучении их подвижности [14, 15].

Установлена следующая закономерность в распределении Zn, Cu и Pb по формам соединений, мг/кг: специфически сорбированные > комплексные > обменные (таблица 4).

Таблица 4 - Подвижные формы Zn, Cu и Pb в черноземе обыкновенном Ростовской области

Цинк. Содержание наиболее подвижных обменных форм Zn очень низкое - всего 0,30 мг/кг. Растения в таких условиях могут испытывать недостаточную обеспеченность этим элементом, что может повлиять на их рост и развитие. Низкое содержание подвижных соединений Zn, как и других рассматриваемых элементов, в черноземе обыкновенном объясняется присутствием карбонатов, их высокодисперсной мицелярной формой в виде «карбонатной плесени» и слабощелочной реакцией среды [1, 13]. Непрочно связанные соединения Zn в основном представлены специфически сорбированными формами (13 % от общего содержания) (таблица 4). Последние на 17 % представлены соединениями металла с Fe-Mn оксидами (таблица 5). Значительное содержание элемента в данной фракции может быть связано с тем, что металлы входят в структуру гидроксидов Fe и Mn, образующихся в почвах в процессах гидролиза и окисления [16]. Нередко в различных почвах не менее половины общего содержания металлов связано с гидроксидами Fe [17]. Гидроксиды Fe и Mn являются одними из наиболее мощных аккумуляторов металлов.

Содержание Zn во фракции, связанной с органическим веществом, составляет 13 % (таблица 5). Zn обладает низкой способностью образовывать стабильные комплексы типа хелатов [15, 18]. Он преимущественно образует неустойчивые внешнесферные или внутрисферные комплексные соединения [19].

Таблица 5 - Фракционный состав Zn, Cu и Pb в черноземе обыкновенном Ростовской области

Главной особенностью фракционного состава соединений Zn в исследуемой почве является значительное преобладание остаточной фракции (67 % от общего содержания), характеризующей связь металла с силикатами (таблица 5).

Медь. Медь прочно закреплена почвенными компонентами, только 7 % металла находится в потенциально подвижном состоянии (таблица 4). В черноземе по сравнению с другими почвами существует гораздо больше возможностей для прочного закрепления металлов, чему способствует тяжелый гранулометрический состав, относительно высокая емкость катионного обмена, большее количество гумуса и соединений железа, а также присутствие глинистых минералов монтмориллонитовой группы [20].

Количество обменных соединений Cu в исследуемой почве такое же, как у Zn, и составляет 0,3 мг/кг, что не превышает 1 % от общего содержания (таблица 4). Для Cu характерно менее интенсивное, чем для Zn, накопление специфически сорбированных соединений - 2,2 мг/кг (4,9 % от общего содержания). Вероятно, низкое относительное и абсолютное содержание металла в данных формах объясняется высоким сродством элемента к органическому веществу [13, 21]. Содержание меди во фракции, связанной с органическим веществом, достаточно высокое - 36 % от общего содержания металла. Из-за большего содержания гумуса чернозем может связать большее количество металла, чем другие почвы [22].

В естественных условиях преобладающая часть металла сосредоточена во фракции, связанной с глинистыми минералами (38 %).

Свинец. Количество наиболее подвижных обменных соединений Pb больше, чем Zn и Cu (таблица 4), и составляет 0,7 мг/кг (2,4 % от общего содержания). Возможно, в обменных реакциях определяющее значение имеет размер иона. Ионы Pb2+ наиболее близки по размеру с ионами Ca2+, основными обменными катионами исследуемых почв, поэтому их доля в обменных формах выше, чем Zn [23].

Основная часть Pb в почве (84 %) находится в прочно связанном состоянии. На долю непрочно связанных соединений приходится соответственно всего 16 % от общего содержания Pb (таблица 4). Эти соединения в основном представлены специфически сорбированными формами, их содержание в почве составляет 2,9 мг/кг (10 % от общего содержания). Для Pb характерно более интенсивное, чем для Cu, накопление данных форм соединений. Вероятно, это объясняется более низкой емкостью поглощения органического вещества по отношению к меди и меньшей устойчивостью образующихся комплексов, чем в случае со свинцом [24].

Специфически сорбированные формы представлены в основном (таблица 5) соединениями металла с Fe-Mn оксидами (21 % от общего содержания). В работах многих авторов отмечается сродство Pb к железу и марганцу [2, 23, 25].

Доля Pb, связанного с органическим веществом, составляет 27 %. Значительное содержание Pb в данной фракции обусловлено большим сродством металла к органическому веществу и глинистым минералам [20]. Ведущее значение органического вещества в прочном удерживании ионов свинца также обусловлено высокой способностью металла к образованию прочных внутрикомплексных соединений.

Выводы

1 Выявлено, что общее содержание Zn, Cu и Pb на целинном участке чернозема обыкновенного в степной зоне Ростовской области характеризует фоновый уровень и не превышает ПДК данных элементов. Низкая подвижность в сочетании с высокой долей специфически сорбированных соединений Zn, Cu и Pb среди их подвижных форм является региональной особенностью данных почв и обусловлена присутствием в них высокодисперсных форм карбонатов в виде мицелия.

2 Установлена следующая закономерность в распределении подвижных соединений Zn, Cu и Pb в почве: специфически сорбированные > комплексные > обменные.

3 Анализ фракционного состава показал, что наибольшее количество изученных элементов в черноземе обыкновенном аккумулируется в составе глинистых минералов. Также значительное количество Zn сосредоточено в Fe-Mn оксидах, а Cu и Pb - в составе органического вещества.

Работа поддержана грантами Министерства образования и науки № 5.885.2014/K, РФФИ № 14-05-00586.

Список литературы

1 Агафонов, Е. В. Тяжелые металлы в черноземах Ростовской области / Е. В. Агафонов // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах: сб. науч. ст. - Новочеркасск, 1994. - С. 22-26.

2 Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

3 Оценка миграционной способности и фитотоксичности Zn в системе почва - растение / В. С. Анисимов, Н. И. Санжарова, Л. Н. Анисимова, С. А. Гераськин, Д. В. Дикарев, Л. М. Фригадова, Р. А. Фригадов, Н. В. Белова // Агрохимия. - 2013. - № 1. - С. 64-74.

4 Панин, М. С. Адсорбция меди почвами Семипалатинского Прииртышья / М. С. Панин, Т. И. Сиромля // Почвоведение. - 2005. - № 4. - С. 416-426.

5 Путеводитель научно-полевых туров V Всероссийского съезда общества почвоведов / под ред. К. Ш. Казеева и В. Ф. Валькова. - Ростов н/Д., 2008. - 100 с.

6 Экономическая оценка сельскохозяйственных угодий Ростовской области / А. С. Чешев [и др.]; под ред. А. С. Чешева, Е. М. Цвылева. - Ростов н/Д.: Изд-во РГУ, 1991. - 240 с.

7 Агрохимические методы исследования почв / под ред. А. В. Соколова. - М.: Наука, 1975. - 656 с.

8 Шаймухаметов, М. Ш. К методике определения поглощенных Са и Mg в черноземных почвах / М. Ш. Шаймухаметов // Почвоведение. - 1993. - № 12. - С. 105-111.

9 Практикум по агрономической химии / под ред. А. В. Петербургского. - М.: Изд-во с.-х. лит., 1963. - 592 с.

10 Качинский, Н. А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения / Н. А. Качинский. - М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 193 с.

11 Трансформация соединений тяжелых металлов в почвах степной зоны / Т. М. Минкина, Г. В. Мотузова, О. Г. Назаренко, В. С. Крыщенко, С. С. Манджиева // Почвоведение. - 2008. - № 7. - С. 810-818.

12 Tessier, A. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals / A. Tessier, P. G. C. Campbell, M. Bisson // Analytical chemistry. - 1979. - Vol. 51, № 7. - P. 844-850.

13 Минкина, Т. М. Состав соединений тяжелых металлов в почвах / Т. М. Минкина, Г. В. Мотузова, О. Г. Назаренко. - Ростов н/Д.: Эверест, 2009. - 208 с.

14 Guo, G. Effect of aging on bioavailability of copper on the fluvo aquic soil / G. Guo, T. Yuan, W. Wang // Int. J. Environ. Sci. Technol. - 2011. - № 8. - P. 715-722.

15 Влияние сопутствующего аниона на процессы адсорбции и трансформации цинка в черноземе обыкновенном / Т. М. Минкина, Д. Л. Пинский, Т. В. Бауэр, С. Е. Головатый, Н. К. Лукашенко, С. С. Манджиева // Плодородие. - 2013. - № 2(71). - С. 42-44.

16 Добровольский, В. В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние / В. В. Добровольский. - М.: Мысль, 1983. - 272 с.

17 Водяницкий, Ю. Н. Сродство тяжелых металлов и металлоидов к фазам-носителям в почвах / Ю. Н. Водяницкий // Агрохимия. - 2008. - № 9. - С. 87-94.

18 Особенности поглощения Cu(II), Pb(II) и Zn(II) черноземом обыкновенным из растворов нитратов, хлоридов, ацетатов и сульфатов / Д. Л. Пинский, Т. М. Минкина, С. С. Манджиева, Ю. А. Федоров, Т. В. Бауэр, Д. Г. Невидомская // Почвоведение. - 2014. - № 1. - С. 22-29.

19 Поглощение меди, цинка и свинца черноземом обыкновенным при моно- и полиэлементном загрязнении / Т. М. Минкина, Д. Л. Пинский, А. П. Самохин, А. А. Статовой // Агрохимия. - 2005. - № 8. - С. 58-64.

20 Ладонин, Д. В. Фракционный состав соединений никеля, меди, цинка и свинца в почвах, загрязненных оксидами и растворимыми солями металлов / Д. В. Ладонин, М. М. Карпухин // Почвоведение. - 2011. - № 8. - С. 953-965.

21 Определение тяжелых металлов в почвах / А. П. Самохин, Т. М. Минкина, В. С. Крыщенко, О. Г. Назаренко // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2002. - № 3. - С. 82-86.

22 Ладонин, Д. В. Фракционный состав соединений меди, цинка и свинца в некоторых типах почв при полиэлементном загрязнении / Д. В. Ладонин, О. В. Пляскина // Вестник МГУ. Серия 17, Почвоведение. - 2003. - № 1. - С. 9-16.

23 Плеханова, И. О. Влияние осадков сточных вод на содержание и фракционный состав тяжелых металлов в супесчаных дерново-подзолистых почвах / И. О. Плеханова, О. В. Кленова, Ю. Д. Кутукова // Почвоведение. - 2001. - № 4. - С. 496-503.

24 Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах / М. С. Малинина, Н. Г. Зырин, Г. В. Мотузова, В. В. Надежкин; под ред. Н. Г. Зырина, Л. К. Садовниковой. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 208 с.

25 Adriano, D. C. Trace elements in terrestrial environments / D. C. Adriano. - New York; Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. - 868 p.

Размещено на Allbest.ru