Статья: Сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в системе почва - растение по индексу геоаккумуляции и коэффициенту транспирации Zea mays L.

Сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в системе «почва - растение» по индексу геоаккумуляции и коэффициенту транспирации Zea mays L.

А.Р. Сукиасян

Национальный политехнический университет Армении

Аннотация

Целью работы являлась оценка влияния дефицита воды в почве с учетом особенностей миграции тяжелых металлов в системе «почва - растение» на примере сахарной кукурузы (Zea mays L.). Исследуемые образцы произрастали на прибрежных территориях рек Дебет, Шнох и Аракс.

Отбор растительного материала осуществлялся в течение вегетационного периода на опытных площадках в ясную сухую погоду. Выполнен анализ прибрежной почвы и однолетнего растения по содержанию Mn, Cu, Co, Zn, Mo с помощью Thermo Scientific Niton XRF Portable Analyser. На основании полученных результатов рассчитан коэффициент индекса геоаккумуляции, выявляющий основные миграционные характеристики тяжелых металлов в системе «почва - растение». Толерантность к засухе идентифицирована на стадии рассады путем изменения условий произрастания посредством изменения режима полива контрольных вазонов. Расчет интенсивности транспирации показал изменения водного баланса у растений в зависимости от почвенно-климатических условий произрастания. На основе полученных результатов отмечено, что при повышении значения индекса геоаккумуляции тяжелых металлов в почве у растения наблюдается значительное снижение интенсивности транспирации.

Так, в ходе экспериментов установлено, что образцы кукурузы из засушливого региона Ушакерта имели низкий уровень транспирации, по сравнению с образцами из умеренно-влажного региона Шноха. Объединение данных о содержании тяжелых металлов в зернах кукурузы с интенсивностью транспирации позволило исследовать корреляцию между накопительной способностью исследуемых химических элементов и регуляцией водного баланса в растении в ответ на засуху. Среди основных факторов, способствующих повышению миграции тяжелых металлов, можно выделить содержание калия и кальция в растительном образце.

Ключевые слова: растение; тяжелые металлы; индекс геоаккумуляции; интенсивность транспирации; засуха

Abstract

Comparative analysis of heavy metals accumulation in the soil - plant system by the geo-accumulation index and transpiration rate of Zea mays L.

Astghik R. Sukiasyan

National Polytechnic University of Armenia

The aim of work is the assessment of the effect of water deficiency in the soil, taking into account the characteristics of the migration of heavy metals in the soil - plant system using the example of mays (Zea mays L.). The samples studied grew in the coastal areas of the Debet, Shnogh and Araks rivers. The selection of plant material was carried out during the growing season at the test sites in clear dry weather. The analysis of the coastal soil and annual plant on the content of Mn, Cu, Co, Zn, Mo was performed using the “Thermo Scientific Niton XRF Portable Analyzer”. According of obtained results the coefficient of the geo-accumulation index was calculated, identifying the main migration characteristics of heavy metals in the soil - plant system. Drought tolerance was identified at the seedling stage by changing the growing conditions by changing of watering of the plot. Calculation of the intensity of transpiration revealed changes in the water balance in plants depending on the soil and climatic growing conditions. According to the obtained results, it is noted that with an increase in the geo-accumulation index of heavy metals in the soil, the plant shows a significant decrease in the intensity of transpiration. Thus, in the course of the experiments, it was established that samples of corn from the arid region of Hushakert had a low level of transpiration, compared with samples from the moderately humid region of Shnogh. Combining the results on the content of heavy metals in corn kernels with the intensity of transpiration made it possible to investigate the correlation between the cumulative ability of the studied chemical elements and the regulation of water balance in the plant in response to drought. Among the main factors contributing to the increase in the migration of heavy metals is the content of potassium and calcium in the plant sample.

Keywords: plant; heavy metals; geo-accumulation index; transpiration intensity; drought

Введение

Естественное содержание тяжелых металлов (ТМ) в окружающей среде, как правило, сбалансировано, а основной причиной их концентрационных изменений является деятельность человека. Антропогенные изменения биоты, вызванные ускорением темпов индустриализации и интенсивным развитием сельского хозяйства, урбанизацией, влекут за собой широкий спектр глобальных экологически опасных явлений [1; 2]. В регионах с развитыми промышленным и сельскохозяйственным производствами резко возрастает вероятность загрязнения воздуха, воды и почвы по причине избыточного количества ТМ [3]. В частности, поглощение и накопление ТМ в растениях проявляется в заражении пищевых цепей, почвы, водных ресурсов и негативном влиянии на окружающую атмосферу [4; 5]. Накопление ТМ в почве, вещества которой попадают в растение вместе с водой, изменяет ее физико-химические свойства [6]. Данный факт является важной экологической проблемой, поскольку многие из этих элементов стабильны и являются биоаккумулятивными, а оценка их безопасных концентраций очень сложна в экосистеме.

Для нормального роста и развития растений необходима поддержка на физиологически приемлемом уровне определенного водного баланса, что в дальнейшем будет способствовать выработке у растений механизмов устойчивости к стресс-факторам внешней среды [7]. Известно, что концентрация ТМ в почве может достичь такого уровня, который в результате приведет к осмотическому шоку внутри растительного организма [8]. Но корневая система растения призвана регулировать поступление в нее воды, которая может быть насыщена различными ТМ. Очевидно, что важную роль в жизнедеятельности растений и формировании их продуктивности играет водный обмен. В свою очередь, нарушение водного обмена, наблюдаемое в присутствии высоких концентраций ТМ, отрицательно сказывается на большинстве физиологических процессов у растений [9].

Цель исследования заключалась в сравнительной оценке накопительной способности ряда ТМ с учетом индекса геоаккумуляции в системе «почва - растение» и транспирации листьев растения-индикатора при засухе.

Материалы и методы

В качестве биологического объекта в экспериментах использовалась полузубовидная сахарная кукуруза армянской популяции (Zea mays L.), выращенная на опытных площадках вблизи рек Дебет (Одзун - 41°03'06" с. ш. 44°36'55" в. д.), Шнох (Шнох - 41°08'52" с. ш. 44°50'16" в. д., Техут - 41°07'05" с. ш., 44°50'45" в. д.) и Аракс (Ушакерт - 40°04'52'' с. ш. 43°55'35'' в. д.).

Подготовка образцов почвы. Образцы почвы при сухих погодных условиях отбирались методом конвертирования с глубины произрастания корневой системы исследуемого растения, которая в среднем не превышала 120 см. Отбор точечных проб осуществлялся с помощью не содержащих металл инструментов. Объединенная проба подготавливалась путем смешивания точечных проб - не менее пяти точечных проб, взятых из одной пробной площадки. После образцы помещались в темные стеклянные контейнеры и транспортировались при температуре +4 °C для лабораторных (инструментальных) измерений в течение 24 ч. После очистки от остатков корневой системы, насекомых и других твердых составляющих почва растиралась в ступне с пестиком и просеивалась через сито с диаметром отверстий не более 1 мм.

Подготовка образцов растения (зерна кукурузы). Созревшие зерна кукурузы сушились методом воздушно-сухой сушки в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при комнатной температуре. Для озоления растительный материал помещался в муфельную печь с использованием предварительно прокаленных фарфоровых чашек при температуре +400 °C не более чем на 1 ч. Затем образцы сухого остатка (зола) помещались в эксикатор для дальнейших инструментальных измерений.

Измерение концентрации химических элементов. Подготовленные образцы (зола зерен кукурузы и почва) помещались в специальные пластмассовые трубки XRF Sample Cups диаметром 32 мм, на дно которых заранее вставлялась специальная полипропиленовая пленка. В верхнюю часть образца вставлялись специальные уплотнители, после чего его закрывали крышкой, спрессовав до нужного состояния. Исследование осуществлялось с помощью портативного анализатора Thermo Scientific Niton XRF Portable Analyser путем направления Х-лучей непосредственно на образец в течение 210 с [10].

Расчет индекса геоаккумуляции. Для количественной оценки степени загрязнения был рассчитан индекс геоаккумуляции (Igeo):

где Cn - концентрация тяжелого металла в образце, мг/кг;

Bn - геохимическое фоновое значение (медиана) для каждого типа почв согласно [11], мг/кг.

Степень загрязненности почв оценивалась по шкале Мюллера [12], согласно которой значения Igeo < 0 соответствуют I классу (практически незагрязненный фон); 0 < Igeo < 1 - II классу (незагрязненный до умеренного); 1 < Igeo < 2 - III классу (умеренно загрязненный); 2 < Igeo < 3 - IV классу (от слегка загрязненного до сильного); 3 < Igeo < 4 - V классу (сильно загрязненный); 4 < Igeo < 5 - VI классу (от сильно загрязненного до экстремального); Igeo > 5 - VII классу (очень сильно загрязненный).

Моделирование засухи и определение интенсивности транспирации. Моделирование засухи осуществлялось в климатической комнате со специально оборудованной системой кондиционирования (см. рисунок). В контрольных вазонах на протяжении всего эксперимента оптимальная относительная влажность почвы (ОВП), поддерживаемая путем ежедневной поливки, составляла 54 %, при умеренной засухе, создаваемой посредством изменения режима полива, ОВП составляла 43 % (визуально не наблюдалось увядания листьев кукурузы), а при сильной засухе ОВП составляла 34 % (наблюдалось увядание листьев в течение дня) [12].

После статистически достоверного снижения скорости роста пятого листа кукурузы, что заняло 2-2,5 недели, определялось общее содержание влаги в наземной части растения. Для этого срезалась вся наземная часть растения, образцы взвешивались и помещались в термостат при температуре +70 °С на 72 ч до полного испарения влаги. После образцы вынимали из термостата и снова взвешивали с целью определения интенсивности транспирации (Тинг.), численное значение которой вычисляли по формуле

где a - контрольный вес растительного образца до помещения в термостат, г; b - вес растительного образца через 72 ч, г; t - время экспозиции, ч; S - площадь растительного образца, дм².

Для определения последнего использовали методику расчета динамики относительной площади листьев злаковых культур, основанную на использовании стандартной гидрометеорологической информации, согласно которой максимальные значения относительной площади листьев для кукурузы на зерно (S) колеблются в пределах от 2,5 до 3,5 дм² [13].

Статистическая обработка

Все проведенные эксперименты имели 10 биологических и до 5 технических повторностей. Результаты были обработаны с учетом t-критерия Стьюдента при уровне значимости р < 0,05 [14]. При помощи пакета «Анализ данных» программы Microsoft Excel проведено сравнение расчетных величин, которое отражает степень взаимосвязи между /geo и Тинт. с учетом степени засухи (табл. 1).

Рисунок 1. Общий вид экспериментальных вазонов перед срезом (2-2,5 недели) (фото автора) [Figure. General view of experimental pots in behind of harvesting (2-2.5 weeks) (photo by the author)]

Таблица 1. Расчет коэффициента корреляции между величинами /„„ и Тинт.

Table 1 Calculation of the correlation between the values fgeo and 7int.

Результаты

Фактическим результатом антропогенного воздействия на окружающую среду является накопление ТМ в почве, аккумулирующихся в дальнейшем в растительном организме. Исходя из этого в качестве тест-объекта было выбрано однолетнее растение, так как в этом случае его экологическая память была «чистой», а полученная информация о количественных изменениях ряда ТМ при их миграции в системе «почва - растение» могла служить основой для количественной оценки загрязненности среды на данном этапе. С этой целью были определены численные значения ряда ТМ в образцах почвы и зернах кукурузы, усредненные из пяти анализов. На основании полученных экспериментальных результатов рассчитывался коэффициент геоаккумуляции по формуле (1), что служило основой для классификации исследуемых образцов почвы по степени загрязненности ТМ.

Таблица 2. Значение коэффициента геоаккумуляции и категории загрязненности почв для некоторых тяжелых металлов