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

Table 2. The value of the coefficient of geoaccumulation and the category of contaminated soil for some heavy metals

Согласно приведенным результатам (табл. 2), образцы почвы из населенного пункта Ушакерт по содержанию Mn, Cu и Mo находились в слегка загрязненном состоянии, а по концентрациям Co и Zn образцы почв оказались сильно загрязненными. Расчет величины Igeo для образцов почв из Одзуна выявил, что среда умеренно загрязнена Cu и Mo, Mn - практически нет. Как и в предыдущем населенном пункте, данные образцы почв оказались сильно загрязнены по концентрациям Co и Zn. Образцы почв из населенного пункта Техут оказались слегка загрязненными Mo, Mn и Cu и сильно загрязненными Co и Zn. Анализ образцов почвы из Шноха указал на их легкую загрязненность Mn, а по содержанию Mo они оказались сильно загрязнены. При этом данные образцы почв произрастания растения были очень сильно загрязнены Cu, Co и Zn.

Почва обладает избирательной накопительной способностью к определенным химическим элементам, тем самым провоцируя изменение их накопительной скорости в произрастающей на ней растительности [16]. При этом очевидно, что способность растения проявлять биоиндикационную активность по содержанию ТМ в почве в первую очередь будет определяться состоянием самой почвы произрастания и степенью ее увлажненности [17]. А процессы транспирации в растениях регулируются непосредственно клеточной водой, давление которой заставляет клетку переходить в состояние тургора [18]. Ранее в наших работах было показано влияние водного дефицита на тургор листьев кукурузы [13; 19]. Известно, что вода является основным провайдером большинства химических элементов по корневой системе растений [20]. Избыток ионов ТМ в тканях растений может повлиять на абсорбцию воды из почвы и снизить содержание воды в корнях. Но в этом случае следует различать действие ТМ на перенос воды в растении от их ограниченности в поглощении воды. В почвах с высоким содержанием растворимых солей ТМ осмотический потенциал в почвенном растворе может быть ниже, чем потенциал внутри клетки. В этих условиях резко ограничивается скорость поглощения воды растениями, что приводит к осмотическому стрессу [21]. Предположительно, явление тургора напрямую регулируется количеством растворенных и поступивших в растительную клетку вместе с водой ТМ. Исходя из этого исследовалась зависимость транспирации в условиях засухи. Рассчитанные по формуле (2) данные по интенсивности транспирации для образцов кукуруз, произрастающих в различных почвенно-климатических условиях, представлены в табл. 3.

Таблица 3. Значение интенсивности транспирации кукурузы в условиях засухи

Table 3. The value of the intensity of transpiration of maize in under drought

Засуха вызывает замедление транспирации для всех исследуемых образцов. Анализ полученных результатов показывает, что усиление засухи замедляет процесс испарения воды с поверхности листьев в связи с уменьшением их размеров, так как при ОВП 34 % визуально наблюдается увядание листьев в течение дня. Но, помимо непосредственного воздействия ТМ на устьица, замедление транспирации может быть связано с уменьшением размеров листьев и корневой системы, а также с нарушением поступления в замыкающие клетки ионов К+ и Са²+ [22].

Далее было определено содержание кальция и калия в спелых зернах кукурузы. Хотя по концентрационным значениям уровень К+ почти на два порядка превышал содержание Са²+, сравнительные ряды по региону произрастания кукурузы имеют схожий вид. Для кальция ряд имеет вид:

Ушакерт < Техут < Одзун < Шнох

и, соответственно, для К+:

Техут < Ушакерт < Одзун < Шнох.

Обсуждение

Накопительная активность ТМ в растениях определенным образом регулируется интенсивностью адсорбции воды почвой и уменьшением поглощающей активности корневой системы. Повышение содержания ТМ в окружающей среде заметно снижает относительное содержание воды в клетках, что связано с уменьшением числа и диаметра сосудов ксилемы и ситовидных трубок флоэмы [7].

Более того, было выявлено, что дефицит воды в корнях возникает в результате повышения концентрации Cd, Ni и Zn [22]. Обезвоживание растительных тканей в условиях повышенного содержания ТМ может быть связано также со снижением эластичности клеточных стенок сосудов, которое обусловлено частичным замещением ионов кальция ионами ТМ и изменением проницаемости мембран [23; 24]. Согласно полученным результатам, определенный соотношением интенсивности процессов поглощения воды и засухи водный баланс растения зависел не только от климатических условий произрастания - свой вклад вносят почвенные характеристики, в особенности содержание ТМ в почве.

Исходя из реакции растения на водный дефицит, который непосредственно отражается на интенсивности транспирации, была дана оценка концентрационным особенностям накопления ТМ по индексу геоаккумуляции (/geo). Конечно, транспирация характеризует то реальное количество воды, которое участвует в различных метаболических процессах растения. Но всякие межмолекулярные и иные связи уменьшают подвижность молекул, снижая подвижность воды, поэтому ТМ в высоких концентрациях оказывают ярко выраженное негативное воздействие на водный обмен растений в целом [8].

В результате нарушения водообмена листья растений теряют тургор, что отрицательно сказывается в целом на физиологических процессах [10]. Фактически миграция ТМ в системе «почва - растение» с последующим накоплением в растительном организме может способствовать снижению транспирации, особенно в условиях повышенной засухи.

Заключение

почва металл растение кукуруза

В результате проведенных исследований была определена по категориям степень загрязненности территорий: почти везде отмечается повышенный уровень содержания Mo, Co и Zn, в меньшей степени - Mn и Си. Моделируемая засуха выявила предрасположенность кукурузы к засухоустойчивости, которая зависела от почвенно-климатических условий произрастания, предопределяя предрасположенность растений к накоплению некоторых ТМ. Выявленные корреляционные различия в накопительной активности ТМ по индексу геоаккумуляции и реакции на засуху имеют обратную сильную связь в зависимости от почвенно-климатических условий произрастания.

Список литературы

[1] Ubwa S.T., Atoo G.H., Offem J.O., Abah J., Asemave K. Effect of activities at the Gboko abattoir on some physical properties and heavy metals levels of surrounding soil // Int. J. Chem. 2013. Vol. 5. Pp. 47-57.

[2] Sharma M.C., Baxi S., Sharma K.K., Singh M., Patel S. Heavy metal ions levels and related physicochemical parameters in soils in the vicinity of a paper industry location in Nahan area of Himachal Pradesh // Environ. Anal. Toxicol. 2014. Vol. 4.

[3] The State of the Marine Environment: A regional assessment. Global Programme of Action for the Protection of the Marine Environment from Land-based Activities, United Nations Environment Programme / UNEP. The Hague, The Netherlands, 2006.

[4] SeawardM.R.D. The use of lichens for environmental impact assessment // Symbiosis. 2004. Vol. 37. Pp. 293-305.

[5] Wong S.C., Li X.D., Zhang G., Qi S.H., Min Y.S. Heavy metals in agricultural soils of the Pearl River Delta, South China // Environ Pollution. 2002. Vol. 119. Pp. 33-44.

[6] Vwioko D.E., Nliefo G.O., Fashemi S.D. Metal concentration in plant tissues of Ricinus communis L. (Castor oil) grown in soil contaminated with spent lubricating soil // J. Applied Environ. Manage. 2006. Vol. 10. Pp. 127-134.

[7] Barcelo J., Poschenrieder C.H. Plant water relations as affected by heavy metal stress: a review // J. Plant Nutr. 1990. Vol. 13. Pp. 1-37.

[8] Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам / под ред. Н.Н. Немова; Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. 172 с.

[9] Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.

[10] Sukiasyan A.R. Antioxidant capacity of maize corn under drought stress from the different zones of growing // International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering. 2016. Vol. 10. No. 8. Pp. 413-416.

[11] Унанян С.А. Агромониторинг экосистемы техногенных зон Республики Армения и разработка мероприятий по восстановлению плодородия почв: афтореф. дис.... д-рз с.-х. наук. Ереван, 2010. 40 с.

[12] Forstner U., Mtiller G. Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in river sediments: geochemical background, man's influence and environmental impact // GeoJournal. 1981. Vol. 5. No. 5. Pp. 417-432.

[13] Сукиасян А.Р., Тадевосян А.В., Симонян Г. С., Пирумян Г.П. Влияние абиотического стресса на рост растений // Успехи современного естествознания. 2016. № 7. С. 168-172.

[14] Шумова Н.А. Методические подходы к оценке относительной площади листьев растений агроценозов // Экосистемы: экология и динамика. 2017. Т. 1. № 1. С. 74-92.

[15] Киракосян А.А., Сукиасян А.Р. Использование языка MATLAB в качестве экспресс- метода оценки экспериментальных результатов // Информационные технологии: сборник материалов Международной молодежной конференции (Ереван, 23-25 июня 2005 г.). Ереван, 2005. С. 34-37.

[16] Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 440 с.

[17] Tangahu B. V., Abdullah S.R.S., Basri H., Idris M. et al. A review on heavy metals (As, Pb, and Hg) uptake by plants through phytoremediation // International Journal of Chemical Engineering. 2011. Vol. 2011. Pp. 1-32.

[18] Dogru A., Bayram N.E. A study on drought stress tolerance in some maize (Zea mays L.) cultivars // Sakarya University Journal of Science. 2016. Vol. 20. Issue 3. Pp. 509-519.

[19] Sukiasyan A., Kirakosyan A., Tadevosyan A., Aslikyan M., Gharajyan K. Peculiarities of accumulation of some heavy metals on the chain of water - soil - plant // International Journal of Advanced Engineering and Management Research. 2017. Vol. 2. No. 5. Pp. 1534-1541.

[20] Feleafel M.N., Mirdad Z.M., Hassan A.Sh. Effecte of NPK fertigation rate and starter fertilizer on the growth and yield of cucumber grown in greenhouse // Journal of Agricultural Science. 2014. Vol. 6. No. 9. Pp. 81-92.

[21] Seregin I.V., Ivanov V.B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants // Russian Journal of Plant Physiology. 2001. Vol. 48. No. 4. Pp. 523-544.

[22] Rucinska-Sobkowiak R. Water relations in plants subjected to heavy metal stresses // Acta Physiol Plant. 2016. Vol. 38. Pp. 257-269.

[23] Казнина Н.М. Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы устойчивости растений семейства Poaceae к тяжелым металлам: дис.... д-рз биол. наук. СПб., 2016. 358 с.

[24] Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам: учебное пособие / Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 77 с.

References

[1] Ubwa ST, Atoo GH, Offem JO, Abah J, Asemave K. Effect of activities at the Gboko abattoir on some physical properties and heavy metals levels of surrounding soil. Int. J. Chem. 2013;5: 47-57.

[2] Sharma MC, Baxi S, Sharma KK, Singh M, Patel S. Heavy metal ions levels and related physicochemical parameters in soils in the vicinity of a paper industry location in Nahan area of Himachal Pradesh. Environ. Anal. Toxicol. 2014;4: 10.4172/21610525.1000236.

[3] UNEP. The State of the Marine Environment: A regional assessment. Global Programme of Action for the Protection of the Marine Environment from Land-based Activities, United Nations Environment Programme. The Hague, The Netherlands; 2006.

[4] Seaward MRD. The use of lichens for environmental impact assessment. Symbiosis. 2004;37: 293-305.

[5] Wong SC, Li XD, Zhang G, Qi SH, Min YS. Heavy metals in agricultural soils of the Pearl River Delta, South China. Environ Pollution. 2002;119: 33-44.

[6] Vwioko DE, Nliefo GO, Fashemi SD. Metal concentration in plant tissues of Ricinus communis L. (Castor oil) grown in soil contaminated with spent lubricating soil. J. Applied Environ. Manage. 2006;10: 127-134.

[7] Barcelo J, Poschenrieder CH. Plant water relations as affected by heavy metal stress: a review. J. PlantNutr. 1990;13: 1-37.

[8] Titov AF, Talanova VV, Kaznina NM, Laydinen GF. Ustoychivost' rasteniy k tyazhelym metallam [Plant resistance to heavy metals], Petrozavodsk: Karel'skiy nauch- nyy tsentr RAN Publ.; 2007.

[9] Titov AF, KazninaNM, TalanovaVV. Tyazhelyye metally i rasteniya [Heavy metals and plants]. Petrozavodsk: Karel'skiy nauchnyy tsentr RAN Publ.; 2014.

[10] Sukiasyan AR. Antioxidant capacity of maize corn under drought stress from the different zones of growing. International Journal of Biological, Biomolecular, Agricultural, Food and Biotechnological Engineering. 2016;10(8): 413-416.

[11] Unanyan SA. Agromonitoring ekosistemy tekhnogennykh zon Respubliki Armenii i razrabotka meropriyatiy po vosstanovleniyu plodorodiya pochv [Agromonitoring the ecosystem of technogenic zones of the Republic of Armenia and the development of measures to restore soil fertility] (Dissertation of Doctor of Agricultural Sciences). Yerevan; 2010.

[12] Forstner U, Muller G. Concentrations of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in river sediments: geochemical background, man's influence and environmental impact. GeoJournal. 1981;5(5): 417-432.

[13] Sukiasyan AR, Tadevosyan AV, Simonyan GS, Pirumyan GP. Vliyaniye abioticheskogo stressa na rost rasteniy [Impact of abiotic stress on growth of plant]. Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya. 2016;(7): 168-172.

[14] Shumova NA. Metodicheskiye podkhody k otsenke otnositel'noy ploshchadi list'yev rasteniy agrotsenozov [The methodical approaches to evaluation of the plants leaves' cover relative area in agrocenoses]. Ekosistemy: ekologiya i dinamika. 2017;1(1): 74-92.