Детоксикация тяжелых металлов (Pb, Cd, Cu) в системе "почва-растение" в лесостепной зоне Красноярского края

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. Агроэкосистемы лесостепной зоны Красноярского края, на которые приходится 70,2% пахотных земель региона, испытывают значительную антропогенную нагрузку, в связи с тем, что выбросы в окружающую среду промышленными предприятиями, ТЭЦ и автотранспортом поллютантов, особенно тяжелых металлов (ТМ), в последние десятилетия остаются стабильно высокими (Государственный доклад…, 2010). Свинец, кадмий, медь и другие тяжелые металлы, включаясь в биогеохимические круговороты, загрязняют почву и, в конечном итоге, по пищевым цепям через растения попадают в организм животных и человека, аккумулируются в органах и тканях, вызывая патологии (Авцын, 1991). Один из методов, позволяющих сократить данные негативные последствия, - это перевод легкорастворимых соединений тяжелых металлов в почве в труднорастворимую форму. Тогда они становятся менее доступными для растений, и скорость их миграции по трофическим цепям значительно уменьшается. Для этой цели возможно использование различных мелиорирующих средств, или детоксикантов (Графская, 1998; Гришина, 1997; Обухов, 1995, Раскатов, 1999; Соколов, 1995; Leh, 1988), вид и доза которых существенно зависит от природно-климатических и особенно эдафических характеристик агроландшафтов.

Цель исследований: определить наиболее эффективные детоксиканты тяжелых металлов (свинца, меди и кадмия) в системе «почва - растение» для лесостепной зоны Красноярского края.

В задачи исследований входило:

· сравнить влияние мелиорантов органического (гумат натрия, птичий помет), неорганического (суперфосфат) и синтетического (катионит) происхождения при модельном загрязнении почвы Pb, Cd, Cu на агрохимические и физико-химические характеристики чернозема выщелоченного;

· оценить детоксикацию тяжелых металлов в системе «почва-растение» методом биотестирования, определив ферментативную активность почвы; энергию прорастания и всхожесть семян, рост и развитие, содержание фотосинтетических пигментов в листьях тест-растений (морковь сорта Марлинка);

· оценить влияние детоксикантов на аккумуляцию ТМ в почве и растениях, экологическую безопасность и биологическую полноценность растительной продукции.

Научная новизна. Впервые на основании комплексных исследований дано научное обоснование использования гумата натрия, птичьего помета, суперфосфата и катионита как детоксикантов свинца, кадмия и меди в системе «почва-растение» лесостепной зоны Красноярского края. Предложены научно обоснованные дозы внесения мелиорантов при разном уровне загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Практическое значение работы. Установлено, что наибольшей эффективностью среди детоксикантов отличаются гумат натрия в дозе 0,3 г/кг и птичий помет в дозе 30 г/кг почвы, позволяющие уменьшить степень перехода ТМ из почвы в растения, при этом снизив аккумуляцию в моркови свинца на 6-22%, кадмия - 7-32%, меди - 7-16%.

Материалы диссертации используются в учебном процессе студентов в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по экологическим дисциплинам.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач исследований, получении и анализе эмпирических данных, их систематизации, интерпретации результатов.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных (Красноярск, 2009, 2010; Москва, 2010; Новосибирск, 2010; Краснодар, 2010; Пермь, 2010), всероссийских (Красноярск, 2009, 2010, 2011; Барнаул, 2009) научно-практических конференциях, расширенном заседании кафедр экологии и естествознания, защиты растений и биотехнологии, агроэкологии и природопользования.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 18 научных работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных списком ВАК.

Защищаемые положения

1. Для оценки эффективности детоксикации тяжелых металлов в системе «почва-растение» целесообразно использовать метод биотестирования.

2. Применение детоксикантов уменьшает аккумуляцию ТМ в почве и растениях, увеличивая экологическую безопасность и биологическую полноценность растительной продукции.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность за помощь и поддержку при подготовке диссертационной работы научному руководителю д.б.н., доц. Г.Г. Первышиной, д.б.н., проф. Н.Н. Кириенко, к.б.н., доц. Е.Н. Конышевой.

1. Тяжелые металлы в системе «почва - растение»

Глава посвящена аналитическому обзору отечественной и зарубежной литературы по изучаемой проблеме. Рассматриваются особенности поведения тяжелых металлов в почвах и их транслокация в растительную продукцию агроценозов. Делается вывод об отсутствии комплексных исследований, связанных с использованием гумата натрия, катионита, суперфосфата и птичьего помета в качестве детоксикантов тяжелых металлов в агроэкосистемах Красноярского края.

2. Материал и методы исследований

детоксикант антропогенный экологический растительный

Исследования проводились с 2008 по 2011 г. на базе СПК «Зыковский» Красноярского края (лесостепная природно-климатическая зона) и научных лабораторий кафедр экологии и естествознания, геоэкологии, а также Испытательного центра по контролю качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», согласно представленной схеме (рис. 1).

Эффективность использования детоксикантов различного происхождения: органического (гумат натрия, птичий помет); неорганического (суперфосфат); синтетического (катионит) - изучалась в лабораторном, лабораторно-вегетационном и вегетационно-полевом (два вегетационных периода - 2009 г. и 2010 г.) модельных экспериментах. Изучено 136 вариантов сочетаний ТМ и детоксикантов на каждом этапе исследований (табл. 1). Доза внесения детоксикантов определялась в соответствии с рекомендациями Т.И. Боковой (2005), G. Kaszubkiewicz (1984), В.Г. Минеева (1993).

В лабораторном и лабораторно-вегетационном (тепличные условия: 22-250С, относительная влажность воздуха 60-70%, выращивание растений в сосудах емкостью 1 кг с использованием почвы пахотного слоя, взятой с полей СПК «Зыковский») экспериментах определялось влияние ТМ и детоксикантов на энергию прорастания, лабораторную всхожесть тест-растений согласно ГОСТ 12038-84.

Рисунок 1 - Схема исследований

В каждом варианте вегетационно-полевого эксперимента площадь одной делянки составляла 1 м2, повторность четырехкратная (согласно рекомендациям Доспехова Б.А., 1979), общая площадь опытного поля - 0,12 га. Почва опытного участка - чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый, гумус - 7,7%, рНKCl - 7,5, гидролитическая кислотность - 6,3 мг-экв/100 г почвы, сумма обменных оснований - 42 мг-экв/100 г, подвижный фосфор - 300 мг/кг, обменный калий - 150 мг/кг, ЕКО - 57,6 мг-экв/100 г почвы. Содержание валовых форм микроэлементов находится на уровне природного фона: Cd - 0,1 мг/кг; Pb - 9,16 мг/кг; Cu - 15,1 мг/кг. Буферность почвы опытного участка перед проведением эксперимента характеризовалась как повышенная.

Таблица 1 - Схема вариантов исследования

Вариант	Дозы внесения детоксиканта, г/кг почвы
	Гумат натрия	Суперфосфат	Катионит	Птичий помет
	0,15	0,3	3,75	7,5	1,5	3,0	15	30
Фон N40P50K50	-	-	-	-	-	-	-	-
Фон + 1…5 ПДК Pb	+	+	+	+	+	+	+	+
Фон + 1...5 ПДК Cu	+	+	+	+	+	+	+	+
Фон + 1…5 ПДК Cd	+	+	+	+	+	+	+	+

Тяжелые металлы в виде хорошо растворимых солей CuSO4•5Н2О, (CH3COO)2Pb, 3СdSO4•8Н2О и детоксиканты вносились в 0-20 см слой почвы. После внесения ингредиентов почва инкубировалась в течение 7 дней. Посев моркови проводился в первой декаде мая, вручную, при норме высева - 0,76 г/м2 (Фирсов, 2006).

Фенологические наблюдения и биометрические учеты проводили в соответствии с типовыми методиками, принятыми в биологии. При анализе биохимического состава моркови определяли: общие сухие вещества - методом высушивания до постоянной массы (ГОСТ 28561-90), содержание редуцирующих сахаров в корнеплодах - по Бертрану (Плешков, 1985), нитраты - фотометрически (ГОСТ 29270-95); витамины: каротин (ГОСТ 8756.22-80), С (ГОСТ 24556-89), РР (ГОСТ РР 50479-93-89).

Количественное определение хлорофиллов а и b и каротиноидов определяли по изменению оптической плотности вытяжки (экстракта) пигментов на спектрофотометре при длинах волн, соответствующих максимумам поглощения хлорофиллов а (663нм) и b(645 нм) и максимуму поглощения каротиноидов (440,5 нм), с последующим расчетом концентрации пигментов по уравнениям Ветштейна и Хольма для 100%-го ацетона.

Химические анализы почвенных образцов проводились по методикам: гумус - по Тюрину (ГОСТ 23740-79), сумма поглощенных оснований - по Каппену (ГОСТ 27821 - 88), обменные Са и Mg - трилонометрически (ГОСТ 26 487 - 85), рН - потенциометрически (ГОСТ 26483-85), гидролитическая кислотность - по Каппену (ГОСТ 26212-91), нитратный азот - спектрофотометрически (ГОСТ 26951-86), аммонийный азот - по Коневу с реактивом Несслера (ГОСТ 26489-85), подвижный фосфор, обменный калий - по Чирикову (ГОСТ 26204-84, ГОСТ 26204-91), емкость катионного обмена (ГОСТ 17.4.4.01-84).

При изучении ферментативной активности почвы активность каталазы определялась перманганатометрическим методом Джонсона и Темпле, уреазы и протеазы - фотоколориметрическим методом, инвертазы - по учету восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы (Хазиев, 1991).

Содержание ТМ в образцах почвы и растениях определялся атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре (AAС) «Спектр-5» в соответствии с ГОСТ 30178-96. Извлечение подвижной формы тяжелых металлов из почвы проведено ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 по методу Крупского-Александровой (Ермохин, 1995).

Коэффициент перехода подвижных форм тяжелых металлов из почвы в растения рассчитан по формуле:

КП= I/N,

где I - содержание элемента в золе растений, мг/кг;

N - содержание подвижной формы тяжелого металла в почве, мг/кг.

Для получения дополнительной информации о миграции ТМ в системе «почва-растение» использовали систему относительных показателей (накопления элемента в изучаемой почве, активного загрязнения почвы, общего загрязнения растений (с учетом поверхностного загрязнения), защитных возможностей почвы (почвенный барьер)), предложенную В.Б. Ильиным (1979).

Статистическая обработка эмпирического материала осуществлялась с помощью метода вариационной статистики на персональном компьютере с использованием пакета прикладных статистических программ «Snedecor» и Statistika 6.0. Экономическая эффективность применения детоксикантов рассчитана по методике, изложенной Барановым (1974).

3. Результаты исследований

Влияние Pb, Cd, Cu и их детоксикантов на агрохимические и физико-химические характеристики почвы.

Загрязнение почвы ТМ влияет в первую очередь на ее биологические свойства, а также способно изменять и более консервативные признаки, такие как гумусное состояние, структуру, кислотность и др., что приводит к частичной, а в некоторых случаях и к полной утрате плодородных свойств почвы (Смит, 1985; Эрих, 1981; Орлов и др., 1991; Ильин, 1995; Колесников и др., 2000; Марфенина, 1991; Гармаш и др., 2002; Lester, 1985).

В наших исследованиях внесение ТМ в дозах от 1 до 5 ПДК оказало неоднозначное воздействие на агрохимические и физико-химические свойства (гумус, рНKCl, Hr, сумма обменных оснований, аммонийные и нитратные формы азота, подвижный фосфор и калий) чернозема выщелоченного. Наибольший отрицательный эффект наблюдался при загрязнении почвы солями кадмия: отмечалось достоверное (P ? 0,01; P ? 0,05) уменьшение концентрации в почве гумуса на 2,3%, подвижного калия - 4,2% и содержания аммонийного и нитратного азота на 18,3 и 8,2% соответственно. И, наоборот, этот же металл способствовал увеличению в почве гидролитической кислотности на 6,2% (Р ? 0,01) и обменных оснований - на 7,2% (Р ? 0,01).

Использование детоксикантов способствовало нивелировке отрицательного воздействия поллютантов. Наибольший эффект получен при внесении двукратных доз мелиорантов, при этом максимальное позитивное влияние оказали гумат натрия в дозе 0,3 г/кг и птичий помет - 30 г/кг почвы. Так, при применении данных детоксикантов содержание гумуса в почве, загрязненной медью, увеличивается на 3,5% и 4,7%, подвижных форм фосфора и калия - на 2,5 и 6,8% (контроль - металл без детоксиканта) соответственно.

Оценка эффективности детоксикации тяжелых металлов в системе «почва-растение» методом биотестирования.

Для оценки степени техногенного воздействия на агроэкосистемы наряду с методами химического анализа используют биотестирование как интегральный показатель токсического загрязнения среды (Моисеенко, 2005; Филенко, 2007).

Ферментативная активность почвы. По мнению ряда ученых (Хазиев, Фатхиев, 1981; Звягинцев и др., 1982; Lai et al., 1999; Rost et al., 2001; Новоселова, 2004; Киреева и др.., 2006), ферменты уреаза, протеаза, каталаза, инвертаза наиболее чувствительны к высокому содержанию тяжелых металлов в почве. В наших исследованиях при загрязнении почвы медью и кадмием активность данных ферментов снижалась от 6,2 до 50,0% (Р ? 0,01) в зависимости от концентрации поллютантов, а под влиянием свинца каталазная и уреазная активность достоверно увеличивалась до 7,5 и 22,9%, протеазная и инвертазная - уменьшалась до 18,3 и 30,0% соответственно.

Для чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи характерен следующий ряд ферментов по убыванию чувствительности к моноэлементному типу загрязнения:

- для Pb: протеаза > уреаза > инвертаза > каталаза;

- для Cu: протеаза > инвертаза > каталаза > уреаза;

- для Cd: уреаза > каталаза > протеаза > инвертаза.

При использовании детоксикантов установлено усиление ферментативной активности почвы. Наибольшее увеличение отмечено при применении гумата натрия и птичьего помета в двукратной дозе. Так, каталазная активность возросла с 37,6 до 55,2% по сравнению с контролем (рис. 2), уреазная - с 28,7 до 53,4%, инвертазная - с 14,8 до 26,5% и протеазная - с 23,7 до 48,3%.

Рисунок 2 - Влияние использования детоксикантов на каталазную активность чернозема выщелоченного

Энергия прорастания и всхожесть семян тест-растений (морковь Daucus carota L.). В качестве одного из методов фитотестирования используется оценка жизнеспособности семян растений. Изучены энергия прорастания (на 5-е сутки) и всхожесть (на 10-е сутки) семян моркови сорта Марлинка в лабораторном и лабораторно-вегетационном модельных экспериментах. Установлено, что при внесении Cu, Cd, Pb, с увеличением концентраций от 1 до 5 ПДК, происходит снижение: энергии прорастания - от 8,3 до 34,1% в лабораторном и от 8,8 до 36,2% - лабораторно-вегетационном экспериментах; и всхожести семян моркови - от 9,2 до 29,2% и от 8,4 до 33,4% соответственно (табл. 2). Наиболее токсичное действие проявил кадмий.

Таблица 2 - Влияние использования детоксикантов тяжелых металлов на энергию прорастания семян моркови (фон: 80,5±0,7),%

ТМ	Детоксикант	Доза детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву ТМ
			1 ПДК	2 ПДК	3ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Pb	Контроль	-	72,1±0,6а	70,3±0,4а	66,5±0,3а	60,2±0,4а	57,3±0,5а
	Гумат натрия	0,15	78,3±0,6*а	76,4±0,5*а	75,6±0,4*а	67,6±0,3*а	65,2±0,6*а
		0,3	80,6±0,5*	80,5±0,6*	80,3±0,3*	77,3±0,3*а	75,3±0,5*а
	Суперфосфат	3,75	76,3±0,7*а	73,6±0,5*а	69,5±0,4*а	63,5±0,3*а	59,6±0,5*а
		7,5	80,4±0,6*	80,3±0,4*	74,6±0,5*а	70,3±0,4*а	67,1±0,6*а
	Катионит	1,5	79,7±0,5*а	77,5±0,6*а	74,4±0,5*а	67,4±0,4*а	62,3±0,5*а
		3,0	80,3±0,5*	79,5±0,6*	78,6±0,4*а	75,2±0,3*а	71,4±0,5*а
	Птичий помет	15	79,4±0,7*а	76,3±0,5*а	74,3±0,3*а	67,5±0,3*а	64,3±0,6*а
		30	80,5±0,5*	80,4±0,6*	80,2±0,4*	75,6±0,4*а	74,7±0,6*а
Cu	Контроль	-	73,4±0,4а	70,1±0,3а	67,3±0,3а	61,2±0,5а	59,2±0,6а
	Гумат натрия	0,15	80,1±0,5*	79,3±0,4*а	76,5±0,5*а	69,3±0,4*а	66,4±0,4*а
		0,3	80,6±0,4*	80,5±0,4*	80,3±0,4*	80,1±0,5*	77,6±0,3*а
	Суперфосфат	3,75	77,5±0,6*а	74,2±0,4*а	71,1±0,6*а	64,4±0,4*а	61,4±0,3*а
		7,5	80,5±0,5*	80,3±0,3*	76,2±0,6*а	72,4±0,4*а	69,8±0,4*а
	Катионит	1,5	79,2±0,4*а	78,5±0,3*а	75,3±0,5*а	68,1±0,5*а	63,5±0,4*а
		3,0	80,5±0,3*	80,3±0,5*	80,1±0,5*	76,3±0,5*а	72,3±0,4*а
	Птичий помет	15	80,2±0,4*	78,4±0,6*а	75,6±0,4*а	68,8±0,4*а	65,8±0,3*а
		30	80,6±0,5*	80,5±0,4*	80,4±0,4*	80,2±0,5*	76,5±0,3*а
Cd	Контроль	-	68,6±0,3а	66,3±0,4а	60,2±0,4а	57,6±0,6а	51,4±0,5а
	Гумат натрия	0,15	77,8±0,5*а	73,5±0,6*а	70,5±0,4*а	65,3±0,4*а	62,5±0,6*а
		0,3	80,5±0,4*	80,3±0,5*	75,5±0,5*а	71,4±0,6*а	69,4±0,6*а
	Суперфосфат	3,75	73,3±0,6*а	69,6±0,5*а	66,6±0,3*а	62,2±0,4*а	59,6±0,5*а
		7,5	80,4±0,6*	74,5±0,4*а	70,6±0,4*а	65,2±0,5*а	64,8±0,5*а
	Катионит	1,5	76,5±0,7*а	72,3±0,4*а	69,3±0,5*а	64,1±0,4*а	61,3±0,5*а
		3,0	80,4±0,3*	80,2±0,5*	73,6±0,5*а	70,5±0,4*а	69,2±0,6*а
	Птичий помет	15	75,3±0,4*а	72,5±0,5*а	69,5±0,4*а	64,1±0,6*а	61,8±0,5*а
		30	80,4±0,5*	80,1±0,6*	73,2±0,4*а	70,6±0,4*а	68,6±0,6*а

Примечание:* - значения достоверны при Р ? 0,01 (в качестве контроля выступает металл); а - значения достоверны при Р ? 0,01 (в качестве контроля выступает фон).

Использование детоксикантов достоверно увеличило жизнеспособность семян. Так, энергия прорастания и всхожесть практически не отличались от фоновой при использовании катионита в дозе 3,0 г/кг почвы - при загрязнении ее до 3 ПДК меди, 2 ПДК кадмия и свинца (разница достоверна). Наибольший позитивный эффект получен при использовании гумата натрия в дозе 0,3 г/кг и птичьего помета 30 г/кг почвы. Разница с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди, 3 ПДК свинца и 2 ПДК кадмия.

Рост и развитие растений. В вегетационно-полевом эксперименте отмечается достоверное (Р ? 0,01) угнетение роста растений при всех вариантах загрязнения почвы ТМ, которое особенно сильно проявилось в начале вегетации, с развитием корневой системы. К концу вегетационного периода разница в высоте растений была менее заметна, по-видимому, это связано со снижением подвижности ионов свинца, меди и кадмия в почве.

Установлена отрицательная связь между содержанием тяжелых металлов в почве и высотой растений моркови, которая аппроксимируется прямой линией с высокой степенью достоверности (R2=0,92-0,99) (рис. 3). Наибольшая токсичность характерна для кадмия.

Рисунок 3 - Фитотоксичность моноэлементного загрязнения чернозема выщелоченного в течение вегетационного периода растений моркови

В целом отмечается достоверное (Р ? 0,01; Р ? 0,05) снижение: высоты ботвы, длины, диаметра и массы корнеплодов, выхода стандартных корнеплодов моркови с возрастанием концентрации тяжелых металлов в почве.

Установлены минимальные концентрации поллютантов в почве, оказывающие негативное воздействие на тест-растения, проявившееся в достоверном уменьшении массы корнеплодов моркови: для Pb - это 110,6 мг/кг (2 ПДК), для Cu - 165,4 мг (3ПДК) и для Cd - 0,57 мг/кг (1ПДК). При максимальных (5 ПДК) дозах внесения свинца, меди и кадмия в почву масса корнеплодов снижалась на 39%, 25% и 43% соответственно.

При использовании детоксикантов несколько уменьшилось отрицательное влияние поллютантов на тест-растение. Наибольшей эффективностью отличался гумат натрия. Так, при его внесении в двукратной дозе (0,3 г/кг почвы) разница по массе корнеплодов с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди и свинца, 2 ПДК кадмия. На второе место по эффективности можно поставить птичий помет и катионит. При их использовании в двукратной дозе (30 и 3,0 г/кг почвы) разница с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди, 3 ПДК свинца и 2 ПДК кадмия. Наименее эффективным детоксикантом оказался суперфосфат, негативный эффект от загрязнения почвы он нивелировал до 1 ПДК кадмия, 2 ПДК меди и свинца.

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях моркови. Содержание хлорофилла и каротиноидов в листьях моркови изучалось на 60-е сутки вегетации. Установлено достоверное влияние загрязненности почвы тяжелыми металлами на соотношение фотосинтетических пигментов (табл. 3). Так, по сравнению с фоном соотношение «хлорофилл а: хлорофилл b» под воздействием Pb, Cu, Cd в концентрации 5 ПДК в почве уменьшилось от 14,2 (Cu) до 21,6% (Cd), при этом произошло увеличение значений соотношения «хлорофиллы (а+b): каротиноиды» на 4,4 (Pb) и 17,1% (Cd). Наиболее выраженной была реакция пигментного фонда при внесении в почву солей кадмия.

Таблица 3 - Влияние загрязненности почвы тяжелыми металлами и использования детоксикантов на соотношение фотосинтетических пигментов

Детоксикант	Дозы внесения детоксиканта, г/кг почвы	Фон+5ПДК Pb	Фон+5ПДК Cu	Фон+5ПДК Cd
хлорофилл a: хлорофилл b (фон: 1,62±0,02)
Контроль	-	1,30±0,01а	1,39±0,02а	1,27±0,01а
Гумат натрия	0,15	1,36±0,02*а	1,47±0,03*а	1,32±0,02*а
	0,3	1,45±0,01*а	1,57±0,01*а	1,41±0,03*а
Суперфосфат	3,75	1,32±0,02а	1,43±0,02*а	1,28±0,01*
	7,5	1,41±0,03*а	1,51±0,01*а	1,35±0,01*а
Катионит	1,5	1,34±0,02а	1,44±0,02*а	1,30±0,02а
	3,0	1,43±0,01*а	1,54±0,02*а	1,37±0,02*а
Птичий помет	15	1,35±0,02*а	1,46±0,01*а	1,31±0,03а
	30	1,44±0,02*а	1,56±0,03*а	1,40±0,01*а
хлорофиллы (a+b): каротиноиды (фон: 1,81±0,02)
Контроль	-	1,89±0,02а	1,80±0,02	2,12±0,05а
Гумат натрия	0,15	1,83±0,03*	1,80±0,01	2,08±0,02*а
	0,3	1,80±0,02*	1,82±0,03	2,03±0,01*а
Суперфосфат	3,75	1,88±0,02*а	1,78±0,02	2,09±0,03*а
	7,5	1,85±0,04*	1,80±0,03	2,06±0,04*а
Катионит	1,5	1,87±0,01*а	1,82±0,01	2,08±0,02*а
	3,0	1,86±0,02*а	1,81±0,02	2,05±0,01*а
Птичий помет	15	1,87±0,03*а	1,82±0,01	2,07±0,03*а
	30	1,84±0,02*а	1,80±0,03	2,04±0,02*а

Примечание:* - значения достоверны при Р ? 0,01 (в качестве контроля выступает металл); а - значения достоверны при Р ? 0,01 (в качестве контроля выступает фон).

Использование детоксикантов оказало положительный эффект на соотношение фотосинтетических пигментов. Так, соотношение «хлорофилл а: хлорофилл b» при использовании гумата натрия в дозе 0,3 г/кг, птичьего помета 30 г/кг, катионита 3,0 г/кг и суперфосфата 7,5 г/кг почвы увеличилось по сравнению с контролем (Cu 5ПДК без детоксиканта) на 13,5; 12,8; 11,2 и 9,1% при Р ? 0,01 соответственно, соотношение «хлорофиллы (а+b): каротиноиды» уменьшилось по сравнению с контролем (Pb 5ПДК без детоксиканта) при использовании данных детоксикантов на 4,7; 2,6; 1,6; 2,1% при Р ? 0,01 соответственно. В целом, можно отметить, что детоксиканты показали эффективность при загрязнении медью до 4 ПДК, свинцом - 3 ПДК и кадмием - 2 ПДК.

Влияние детоксикантов на аккумуляцию тяжелых металлов в почве и растениях, экологическую безопасность и биологическую полноценность растительной продукции.

Подвижность и накопление ТМ в почве. При модельном загрязнении почвы ТМ от 1 до 5 ПДК за 120 дней инкубации ТМ в почве наблюдалось значительное изменение подвижности свинца, меди и кадмия (табл. 4). Так, изменение подвижности кадмия, свинца и меди в почвенном слое 0-20 см составляло 18,3-53,7%; 13,8-39,5% и 10,5-21,4% соответственно, а при применении двойных доз гумата натрия и катионита она снижается до 4,6; 3,2% (Pb), 2,3; 2,6% (Cu) и 6,5; 7,3% (Cd) соответственно.

Таблица 4 - Изменение подвижности тяжелых металлов в черноземе выщелоченном после инкубационного периода (30 дней) и проведения опыта (120 дней), %

ТМ	Детоксикант	Доза детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву ТМ
			1 ПДК	2 ПДК	3ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Pb	Контроль	-	13,8	17,6	22,4	31,8	39,5
	Гумат натрия	0,15	8,5	10,3	14,2	19,7	25,7
		0,3	4,6	6,7	8,5	11,3	16,4
	Суперфосфат	3,75	11,4	13,8	16,4	24,5	28,1
		7,5	9,7	11,4	9,1	13,2	18,3
	Катионит	1,5	7,5	9,8	13,8	17,6	23,6
		3,0	3,2	5,6	7,6	9,3	14,5
	Птичий помет	15	8,7	11,4	15,1	22,7	26,2
		30	5,1	7,3	8,7	11,5	17,5
Cu	Контроль	-	10,5	11,7	15,8	18,3	21,4
	Гумат натрия	0,15	4,7	6,2	9,6	11,5	14,3
		0,3	2,3	3,1	5,3	7,2	9,4
	Суперфосфат	3,75	6,1	8,7	11,4	15,1	18,5
		7,5	4,5	5,4	7,5	9,3	12,6
	Катионит	1,5	5,1	6,7	10,1	12,4	15,7
		3,0	2,6	3,5	5,6	7,5	10,2
	Птичий помет	15	5,3	7,1	10,3	12,8	14,8
		30	2,8	3,8	5,8	8,1	9,7
Cd	Контроль	-	18,3	24,7	35,8	45,4	53,7
	Гумат натрия	0,15	10,2	14,8	19,6	27,2	35,4
		0,3	6,5	9,3	11,5	16,4	23,1
	Суперфосфат	3,75	14,6	18,3	24,1	31,3	38,6
		7,5	9,5	12,7	15,3	19,8	25,1
	Катионит	1,5	11,4	14,2	20,7	28,4	36,2
		3,0	7,3	9,1	12,3	18,5	24,6
	Птичий помет	15	12,7	15,2	21,4	30,1	37,5
		30	8,1	10,8	13,7	19,2	25,8

Наблюдается обратная зависимость между уровнем концентрации подвижной формы тяжелых металлов в почвах и дозами детоксикантов. Установлено, что происходит достоверное (P ? 0,01) снижение до ПДУ концентрации ТМ в почве при использовании: гумата натрия в дозе 0,3 г/кг, птичьего помета - 30 г/кг - при внесении в почву до 2 ПДК свинца, до 3 ПДК меди, до 2 ПДК кадмия. Вероятнее всего, механизм детоксикации ТМ заключается в связывании их гуминовыми кислотами, отрицательными ионами, входящими в состав катионита, а также в образовании сложных фосфоросодержащих органо-минеральных соединений с ионами ТМ, в том числе комплексной природы, которые могут выпадать в осадок и идентифицироваться как негидролизуемый остаток.

Содержание тяжелых металлов в растениях. Установлено существенное влияние модельной загрязненности почвы тяжелыми металлами на их аккумуляцию в растениях. Линейная регрессионная модель перехода подвижных форм тяжелых металлов из почвы в корнеплоды моркови имеет вид (рис. 4). Так, поступление кадмия в морковь возрастало линейно, пропорционально концентрациям подвижных форм элемента (r=0,95…0,98, Р ? 0,01 ), достигнув максимума при самом высоком уровне загрязнения. В корнеплодах моркови наиболее высокое его количество установлено при содержании подвижного кадмия 0,81 мг/кг в почве.

Рисунок 4 - Зависимость содержания тяжелых металлов в корнеплодах моркови от концентрации тяжелых металлов в почве

Показатели накопления тяжёлых металлов в почве и в растениях характеризовались одинаковой направленностью (табл. 5). Максимальное увеличение показателей накопления ТМ в почве и в растениях отмечено при загрязнении кадмием в дозе 5 ПДК.

О степени доступности элементов для растений и поведении их в системе «почва-растение» косвенно позволяет судить коэффициент биологического поглощения (КПБ) как отношение количества элемента в золе растений к его содержанию в почве. В зависимости от КБП установлен возрастающий ряд подвижности элементов в растения моркови: Cd > Pb > Cu (табл. 6).

Таблица 5 - Относительные показатели, характеризующие процессы миграции в системе «почва-морковь»

Уровень загрязнения	? Зп (накопления элемента в почве)	? Зап (активного загрязнения почвы)	? Зр (общего загрязнения растений)	Бп (защитных возможностей почвы)
Pb1ПДК	0,40	0,64	0,57	1,27
Pb2ПДК	0,45	0,70	0,63	1,68
Pb3ПДК	0,50	0,77	0,76	1,91
Pb4ПДК	0,71	0,86	0,86	1,92
Pb5ПДК	0,73	0,90	0,95	1,95
Cu1ПДК	0,31	0,66	1,00	1,01
Cu2ПДК	0,35	0,71	1,16	1,13
Cu3ПДК	0,44	0,76	1,21	1,24
Cu4ПДК	0,61	0,75	1,42	1,48
Cu5ПДК	0,65	0,83	1,76	1,57
Cd1ПДК	0,71	0,80	0,60	1,02
Cd2ПДК	0,75	0,85	0,70	1,16
Cd3ПДК	0,78	0,90	0,80	1,26
Cd4ПДК	0,83	0,92	0,88	1,33
Cd5ПДК	0,91	0,97	0,94	1,52

Таблица 6 - Коэффициенты поглощения растениями моркови подвижной формы тяжелых металлов из почвы

ТМ	Детоксикант	Доза детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву ТМ
			1 ПДК	2 ПДК	3ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Pb	Контроль	-	0,051	0,082	0,113	0,154	0,183
	Гумат натрия	0,15	0,026	0,035	0,057	0,112	0,155
		0,3	0,021	0,022	0,022	0,083	0,092
	Суперфосфат	3,75	0,034	0,047	0,068	0,137	0,161
		7,5	0,021	0,023	0,032	0,113	0,143
	Катионит	1,5	0,028	0,041	0,061	0,132	0,157
		3,0	0,022	0,022	0,027	0,098	0,126
	Птичий помет	15	0,031	0,042	0,064	0,126	0,153
		30	0,022	0,023	0,028	0,096	0,124
Cu	Контроль	-	0,463	0,482	0,512	0,543	0,576
	Гумат натрия	0,15	0,445	0,441	0,475	0,512	0,534
		0,3	0,431	0,438	0,442	0,447	0,517
	Суперфосфат	3,75	0,443	0,452	0,483	0,532	0,553
		7,5	0,437	0,443	0,445	0,517	0,534
	Катионит	1,5	0,441	0,448	0,481	0,518	0,542
		3,0	0,434	0,437	0,446	0,448	0,523
	Птичий помет	15	0,437	0,445	0,477	0,515	0,538
		30	0,432	0,437	0,443	0,447	0,521
Cd	Контроль	-	0,214	0,251	0,312	0,374	0,453
	Гумат натрия	0,15	0,175	0,203	0,275	0,348	0,428
		0,3	0,172	0,174	0,242	0,321	0,413
	Суперфосфат	3,75	0,186	0,228	0,286	0,358	0,447
		7,5	0,174	0,193	0,264	0,341	0,438
	Катионит	1,5	0,178	0,207	0,278	0,356	0,435
		3,0	0,172	0,177	0,251	0,332	0,421
	Птичий помет	15	0,174	0,197	0,283	0,352	0,431
		30	0,173	0,175	0,254	0,328	0,417

Детоксиканты способствовали снижению КБП тяжелых металлов. Под влиянием гумата натрия в дозе 0,3 г/кг разница с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди, 3 ПДК свинца и 2 ПДК кадмия. Суперфосфат позволил эффективно снизить данный показатель при загрязнении почвы свинцом до 2 ПДК, медью - 3 ПДК и кадмием - до 1 ПДК.

Экологическая безопасность и биологическая полноценность растительной продукции. Проанализировано влияние модельного загрязнения почвы ТМ от 1 до 5 ПДК на экологическую безопасность растительной продукции (табл. 7). Установлено, что без использования детоксикантов (контрольный вариант) превышение ПДК в корнеплодах моркови наблюдалось уже при внесении в почву 110,6 мг/кг свинца (2 ПДК), 165,4 мг/кг меди (3 ПДК), 0,57 мг/кг кадмия (1 ПДК).

Таблица 7 - Отношение содержания тяжелых металлов к ПДК в корнеплодах моркови

ТМ	Детоксикант	Доза детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву ТМ
			1 ПДК	2 ПДК	3ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Pb (ПДК 0,5 г/кг)	Контроль	-	0,52	1,12	1,55	2,43	3,15
	Гумат натрия	0,15	0,33	0,74	1,12	1,86	2,64
		0,3	0,24	0,38	0,81	1,23	1,52
	Суперфосфат	3,75	0,45	0,87	1,35	1,93	2,74
		7,5	0,37	0,66	1,26	1,44	1,63
	Катионит	1,5	0,32	0,83	1,28	1,77	2,55
		3,0	0,21	0,47	1,13	1,66	1,42
	Птичий помет	15	0,38	0,76	1,34	1,89	2,68
		30	0,27	0,43	1,16	1,35	1,55
Cu (ПДК 5 г/кг)	Контроль	-	0,24	0,52	1,23	1,54	2,11
	Гумат натрия	0,15	0,15	0,35	0,71	1,24	1,32
		0,3	0,13	0,27	0,54	0,81	1,16
	Суперфосфат	3,75	0,19	0,42	1,18	1,25	1,44
		7,5	0,17	0,34	0,76	1,13	1,22
	Катионит	1,5	0,16	0,38	0,77	1,28	1,25
		3,0	0,18	0,31	0,51	0,91	0,78
	Птичий помет	15	0,16	0,37	0,74	1,27	1,41
		30	0,14	0,28	0,58	0,85	0,88
Cd (ПДК 0,03 г/кг)	Контроль	-	1,16	2,11	2,53	3,24	4,32
	Гумат натрия	0,15	0,77	1,22	1,86	2,56	3,18
		0,3	0,59	0,87	1,12	1,75	2,13
	Суперфосфат	3,75	0,94	1,35	2,05	2,82	3,34
		7,5	0,67	1,23	1,81	1,87	2,28
	Катионит	1,5	0,82	1,28	1,87	2,68	3,23
		3,0	0,64	1,17	1,35	1,84	2,35
	Птичий помет	15	0,78	1,24	1,91	2,61	3,21
		30	0,51	0,88	1,15	1,73	2,15

Использование детоксикантов позволило уменьшить аккумуляцию ТМ в моркови. Наибольшую эффективность показал гумат натрия. При внесении его в дозе 0,3 г/кг морковь отвечала гигиеническим требованиям при загрязнении почвы свинцом до 3 ПДК, медью - 4 ПДК и кадмием - до 2 ПДК включительно. Менее эффективным среди мелиорантов оказался суперфосфат. При его использовании в двукратной дозе (7,5 г/кг почвы) экологическая безопасность растительной продукции отмечалась при загрязнении почвы до 2 ПДК свинцом, 1 ПДК кадмием и 3 ПДК медью.

Загрязнение почвы ТМ оказало негативное воздействие и на биологическую полноценность растительной продукции, в частности на биохимические характеристики корнеплодов моркови. Наибольший отрицательный эффект обнаружен от ионов кадмия. Так, при внесении в почву 5 ПДК кадмия в корнеплодах достоверно уменьшилось (Р ? 0,01) содержание сухого вещества на 12,1% , сахаров на 17,1% , каротина на 5,4% , витамина С на 6,2%, витамина РР на 19,1%.

Использование детоксикантов позволило улучшить биохимические характеристики растительной продукции. Так, содержание витамина РР по сравнению с контролем увеличилось (Р ? 0,01; Р ? 0,05) при применении двойных доз гумата натрия и птичьего помета на 26,7% и 22,1% соответственно (рис. 5).

Рисунок 5 - Изменение содержания витамина РР в корнеплодах моркови под влиянием ТМ и детоксикантов

Эффективность использования детоксикантов. В таблице 8 приведен сравнительный анализ эффективности использования детоксикантов, основанный на ранее приведенных эмпирических материалах. Из табличных данных видно, что наибольший положительный эффект оказали гумат натрия и птичий помет в дозе 0,3 г/кг и 30 г/кг почвы соответственно. Их использование позволяет нивелировать негативное воздействие на тест-растения (морковь) загрязнения почвы свинцом до 3 ПДК, медью - до 4 ПДК, кадмием - до 2 ПДК.

Таблица 8 - Эффективность использования детоксикантов для уменьшения негативного воздействия на тест-растения при модельном загрязнении почвы тяжелыми металлами (от 1 до 5 ПДК)

Показатель	Гумат натрия (0,3 г/кг почвы)	Суперфосфат (7,5 г/кг почвы)	Катионит (3 г/кг почвы)	Птичий помет (30 г/кг почвы)
Энергия прорастания семян	Pb - до 3 ПДК, Cu - 4 ПДК и Cd - до 2 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 2 ПДК и Cd - до 1 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 2 ПДК и Cd - до 1 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 3 ПДК и Cd - до 2 ПДК
Всхожесть семян	Pb - до 3 ПДК, Cu - 4 ПДК и Cd - до 2 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 2 ПДК и Cd - до 1 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 2 ПДК и Cd - до 1 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 3 ПДК и Cd - до 1 ПДК
Соотношение хлорофилл a: хлорофилл b в листьях	Pb - до 3 ПДК, Cu - 4 ПДК и Cd - до 2 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 3 ПДК и Cd - до 1 ПДК	Pb - до 2 ПДК, Cu - 3 ПДК и Cd - д...

Подобные документы

• Источники наличия тяжелых металлов в природных водах

  Физические и химические свойства тяжелых металлов, нормирование их содержания в воде. Загрязнение природных вод в результате антропогенной деятельности, методы их очистки от наличия тяжелых металлов. Определение сорбционных характеристик катионитов.
  
  курсовая работа [1,2 M], добавлен 23.02.2014
  

• Комплексное изучение миграции и накопления тяжелых металлов в системе "наземные экосистемы – прибрежные и водные экосистемы" на примере городов Николаев и Симферополь

  Характеристика тяжелых металлов и их распространение в окружающей среде. Клиническая и экологическая токсикология тяжелых металлов. Атомно-абсорбционный метод определения содержания тяжелых металлов, подготовка и взятие органических проб гидробионтов.
  
  научная работа [578,6 K], добавлен 03.02.2016
  

• Тяжёлые металлы на территории больших городов

  Понятие тяжелых металлов, их биогеохимические свойства и формы нахождения в окружающей среде. Подвижность тяжелых металлов в почвах. Виды нормирования тяжелых металлов в почвах и растениях. Аэрогенный и гидрогенный способы загрязнения почв городов.
  
  курсовая работа [1,9 M], добавлен 10.07.2015
  

• Влияние солей тяжелых металлов на некоторых пресноводных гидробионтов

  Тяжелые металлы в водной среде. Действие оксидов тяжелых металлов на организм некоторых пресноводных животных. Поглощение и распределение тяжелых металлов в гидрофитах. Влияние оксидов тяжелых металлов в наноформе на показатели роста и смертности гуппи.
  
  дипломная работа [987,3 K], добавлен 09.10.2013
  

• Роль тяжелых металлов в экосфере

  Исследование основных экологических и химических аспектов проблемы распространения тяжелых металлов в окружающей среде. Формы содержания тяжелых металлов в поверхностных водах и их токсичность. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Микробный ценоз почв.
  
  реферат [33,2 K], добавлен 25.12.2010
  

• Оценка накопления тяжелых металлов прибрежно-водной растительностью некоторых озер города Гомеля

  Биологическое значение тяжелых металлов и микроэлементов для различных видов растений. Накопление тяжелых металлов в водной среде и в почве. Изучение состава прибрежно-водной растительности исследуемых озер города Гомеля и озер Мозырского района.
  
  дипломная работа [1,5 M], добавлен 15.12.2016
  

• Изучение влияния солей тяжелых металлов (ацетатов Pb и Co) на наземные растения

  Особенности тяжелых металлов и экотоксикантов как наиболее загрязняющих окружающую среду веществ. Значение азота, кальция, магния, бора, цинка в жизни растений. Воздействие ацетатов кобальта и свинца на интенсивность флюоресценции хлорофиллов бархатцев.
  
  курсовая работа [163,1 K], добавлен 10.01.2012
  

• Определение влияния концентрации тяжелых металлов на процесс формирования проростков ячменя

  Мониторинг состояния окружающей среды. Общие принципы биоиндикации. Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов. Сравнение влияния концентраций соединения ионов хрома, кобальта, свинца и никеля на контролируемые параметры тест-объекта.
  
  дипломная работа [2,1 M], добавлен 19.04.2013
  

• Содержание тяжелых металлов в высших водных растениях водоемов города Гомеля

  Знакомство с методами обнаружения тяжелых металлов в высших водных растениях водоемов города Гомеля. Марганец как катализатор в процессах дыхания и усвоения нитратов. Рассмотрение особенностей процесса поглощения металлов растительным организмом.
  
  дипломная работа [166,5 K], добавлен 31.08.2013
  

• Содержание токсичных веществ и элементов в речной рыбе Приамурья

  Биогеохимические свойства тяжелых металлов. Климатические и природные особенности Биробиджанского района Еврейской автономной области, гидрологическая сеть и источники загрязнения вод. Отбор проб и методика определения содержания тяжелых металлов в рыбе.
  
  курсовая работа [434,1 K], добавлен 17.09.2015
  

• Экологические проблемы городов Красноярского края

  Экологические проблемы большого города. Проблемы экологии Красноярского края, для которого характерна высокая концентрация производства. Обзор основных экологических проблем, связанных с урбанизацией. Уровень загрязнения атмосферного воздуха городов края.
  
  курсовая работа [182,0 K], добавлен 22.06.2012
  

• Экологические заболевания

  Общее понятие экологического заболевания. Глобальное загрязнение окружающей среды. Воздействие тяжелых металлов на организм человека. Классификация тяжелых металлов по степени опасности. Экологически обусловленные болезни, примеры некоторых из них.
  
  презентация [387,8 K], добавлен 21.04.2014
  

• Экстракционно-фотометрический метод определения тяжелых металлов в природных водах

  Характеристика спектроскопических методов анализа. Сущность экстракционно-фотометрических методов. Примеры использования метода для определения тяжелых металлов в природных водах. Методика выявления бромид-ионов, нитрат–ионов. Современное оборудование.
  
  курсовая работа [452,5 K], добавлен 04.01.2010
  

• Исследование воздействия ионов некоторых тяжелых металлов на формирование проростков вики

  Биологический мониторинг окружающей среды. Преимущества, сферы применение, средства и методы биоиндикации. Роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов (хрома, кобальта, никеля, свинца) на паростки вики - род цветковых растений семейства Бобовые.
  
  дипломная работа [820,7 K], добавлен 19.04.2013
  

• Загрязнение воды водоемов г. Гомеля тяжелыми металлами

  Источники поступления тяжелых металлов в водные экосистемы. Токсическое действие тяжелых металлов на человека. Оценка степени загрязнения поверхностных вод водоемов, расположенных на территории г. Гомеля, свинцом, медью, хромом, цинком, никелем.
  
  дипломная работа [160,7 K], добавлен 08.06.2013
  

• Извлечение аммиака из сточных вод текстильного производства

  Основные способы переработки текстильных отходов. Технология локальной очистки сточных вод от аммиака, красителей и тяжелых металлов. Эффективность использования 8-оксихинолина при удалении ионов тяжелых металлов из сточных вод текстильных предприятий.
  
  курсовая работа [399,7 K], добавлен 11.10.2010
  

• Загрязнение сельскохозяйственных продуктов

  Нитраты, нитриты и методы их определения в сельскохозяйственной продукции. Критерии оценки концентрации пестицидов и тяжелых металлов в почве и растениях. Белково-витаминные концентраты, определение ее предельных показателей для различных культур.
  
  реферат [22,7 K], добавлен 28.11.2011
  

• Город и окружающая среда. Проблемы взаимодействия экономического развития и экологии Красноярского края

  Факторы давления на окружающую природную среду. Обострение проблемы экологического кризиса с середины 50-х г. XX в. Состояние взаимодействия экономического развития и экологии городов Красноярского края. Финансирование реализации экологической политики.
  
  курсовая работа [815,3 K], добавлен 29.11.2016
  

• Исследование аварийной экотоксикологической ситуации и меры по ее устранению (хром)

  Общая характеристика токсиканта (хрома). Физические и химические свойства. Определение тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий, продукции растениеводства и кормах. Токсикологические методы оценки воздействия токсиканта на компоненты биоты.
  
  курсовая работа [122,3 K], добавлен 28.03.2010
  

• Предупреждение загрязнения морской среды от соединений тяжелых металлов и нефтепродуктов

  Технические предложения по снижению уровня экологической безопасности морской среды. Очистка морской среды от соединений тяжелых металлов и нефтепродуктов. Десорбция летучих примесей. Очистка загрязненных вод методом обратного осмоса и ультрафильтрации.
  
  практическая работа [396,1 K], добавлен 09.02.2015
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам