5.2.3 Накопление тяжелых металлов в растениях
Накопление растениями тяжелых металлов осуществляется корнями из почвы и непосредственно из атмосферы. Например, загрязнение растений атмосферным кадмием составляет 20 – 60% от всего его содержания в растениях. Свинец в основном поступает через корни, тем не менее, и он способен поглощаться через листья. Накопление атмосферного свинца у растений вблизи автомобильных дорог может достигать до 40% от его общего количества в растениях. Основное количество свинца сосредоточено в вегетативных органах, а в репродуктивных накапливается до 7% от общего количества. Кинетика поглощения тяжелых металлов определяется двумя последовательными процессами, заключающимися в проникновении в свободное пространство и поступлении их внутрь клетки. Соотношение между количеством ионов в свободном пространстве и внутри клеток зависит как от продолжительности поглощения, так и от вида ионов. Поглощение тяжелых металлов растениями является энергетически независимым процессом, в то время как их транспорт в растительной клетке – энергетически зависимым. Поглощение корнями осуществляется через преодоление мембраны клеточной оболочки и прохождение через плазмалемму, цитоплазму и тонопласт аноплазматическим и симплазматическим методами.
В живых организмах тяжелые металлы играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход жизнедеятельности организмов. Нарушение концентраций, в результате техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, приводит к отрицательным последствиям для живых организмов. Тяжелые металлы условно делятся на фитотоксичные и токсичные для человека и животных. К фитотоксичным относятся, прежде всего, медь, никель и цинк. Одни и те же металлы оказывают неодинаковое действие на различные виды растений. По способности аккумуляции тяжелых металлов различными культурами установлены следующие ряды:
овес — Ni > Cu > Co > Cr > Zn > Mn; пшеница — Cd > Ni > Cu > Zn; рожь — Zn > Cd > Pb > Cu; картофель — Cd > Cu > Zn > Cr > Ni > Mn.
Поступление и накопление тяжелых металлов в растениях определяется способностью вида поглощать и накапливать металлы и наличием физиолого-биохимических защитных механизмов. В растениях ячменя, например, количество свинца возрастает с увеличением содержания его в почве. При его высоком уровне в почве свинец накапливается в больших количествах в вегетативных органах и на порядок меньше – в репродуктивных. В значительной мере токсичность свинца проявляется на кислых почвах и заметно снижается при их известковании, применении органических и минеральных удобрений. Наибольшее количество меди поглощают картофель, гречиха и морковь. Большая часть кадмия в зерновых культурах сосредоточена в корнях и значительно меньше – в зерне. Повышенное содержание этого элемента в растениях сопровождается покраснением и хлорозом листьев. Содержание хрома в растениях невелико и обычно составляет около 0,0005 мг/кг. Основное его количество содержится в корневой системе. Обычно многолетние растения содержат ртути значительно больше, чем однолетние культуры. Однако, например, надземные органы картофеля и подсолнечника, содержат этого металла в два – три раза больше, чем зерновые культуры. Кислотно-основные свойства и содержание гумуса является главными показателями, определяющими характер поведения тяжелых металлов в почве, их доступность растениям. Токсичные для растений концентрации тяжелых металлов, в зависимости от свойств почв, могут варьировать в значительных пределах. К сожалению, сегодня не достаточно накоплено фактического материала по тяжелым металлам, их токсичности, предельно допустимым концентрациям и так далее. Задачей наших исследований было получение достоверной информации о накоплении тяжелых металлов в почве и растениях в местах интенсивного движения автотранспорта. Выявить влияние интенсивности движения автотранспорта на количественное и качественное содержание тяжелых металлов в почве, растениях и сельскохозяйственной продукции. Получить достоверную информацию о степени загрязнения окружающей среды в городе Балашове и поселках Балашовского района.
Для сравнения и оценки качественного и количественного содержания тяжелых металлов в растениях в качестве объекта исследований было взято одно из самых распространенных растений, произрастающих на всех пробных площадках города Балашова и поселках Балашовского района – клевер луговой (TrifoliumpratenseL.). Опытные образцыT.pratenseL. отбирались на тех же пробных площадях, где и образцы почв для определения количественного и качественного состава тяжелых металлов в различных районах города Балашова, на территории Балашовского лесхоза и в поселках Барки, Пады, Рассказань и Красная Кудрявка, расположенных в Балашовском районе. А также в районе организации ООО «Балашов-зерно», являющейся одним из основных поставщиков сельскохозяйственной продукции для города и района.
Результаты исследований отражены в приложении, табл. П.18. Накопление тяжелых металлов в TrifoliumpratenseL. с 2001 г. по 2005 г. в городе Балашове и поселках Балашовского района отражено в табл. 5.23 и на рис. 5.13.
Таблица 5.23 —Содержание тяжелых металлов в Trifolium pratense L.,мг/кг сухого вещества, среднее значение в 2001г. и 2005 г.
Район взятия образцов и интенсивность движения автотранспорта, машин в час
Источник
4.6. Пдк загрязнений для растений
Растения–фотосинтетики, открывающие пищевые цепи в экосистемах, как и другие живые организмы, чувствительны к присутствию загрязняющих веществ в окружающей среде. Многочисленные факты снижения продуктивности и гибели древесных, кустарниковых и травянистых растений вследствие загрязнения воздуха хорошо известны. Поэтому нормирование содержания загрязняющих веществ применительно к растениям – важная, трудная и до конца пока не решенная задача.
Трудности заключаются в том, что разные виды совместно произрастающих растений в разной степени устойчивы к одним и тем же веществам. Поэтому в экосистеме диапазон общей устойчивости данного трофического уровня достаточно широк. Во-вторых, устойчивость зависит от условий места обитания, т.е. от режимов экологических фактов (например, увлажнения, освещенности, минерального питания). В-третьих, одно и то же растение в разной степени устойчиво к тем или иным веществам в разные периоды своего развития: распускания листьев, бутонизации и цветения, созревания семян. В-четвертых, разные физиологические процессы у растения неодинаково уязвимы для загрязняющих веществ, и необходимо в качестве теста выбирать наиболее демонстративное свойство.
Таким наиболее чувствительным к помехам процессом считается фотосинтез, определяющий продукцию экосистемы. Метод определения допустимых норм загрязнений воздуха основан на определении минимальных изменений фотосинтеза у растений. Для этого используются чувствительные биофизические методы определения изменения спонтанного сверхслабого свечения и свободных радикалов в клетках под влиянием низких концентраций газов. Интенсивность фотосинтеза определяют методом электрохемилюминесценции.
За предельно допустимую разовую дозу загрязненного воздуха для каждого вида растений принимают концентрацию газа, при которой после 5 мин действия наблюдается уменьшение фотосинтеза более чем на 10%. Допустимые нормы загрязнения воздуха диоксидом серы, аммиаком и формальдегидом для растений определяли по влиянию этих веществ на интенсивность фотосинтеза. Слабые концентрации этих веществ вызывают активацию фотосинтеза как у стойких, так и у чувствительных видов. Степень снижения интенсивности фотосинтеза под влиянием, например, диоксида серы, пропорциональна увеличению концентрации газа в опыте. Стойкие виды растений (клен) обладают пониженной интенсивностью фотосинтеза, а нестойкие (барбарис) – повышенной. Диоксид серы у первых вызывает значительно меньшее снижение фотосинтеза, чем у вторых.
Допустимую санитарную норму устанавливают по минимальной концентрации газа, не вызывающей изменения исследуемых показателей через 5мин действия газа. К настоящему времени установлены ПДКм.р.и ПДКс.с.для 12 загрязняющих веществ в воздухе для растений, включая древесные (табл. 4.2).
Таблица 4.2– ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для
растений и древесных пород
Для растений в целом ПДКм.р.
Источник
Предельно допустимые концентрации ТМ в растительной ткани
Чтобы правильно оценить возможность использования осадков в качестве удобрения и разработать дозы их внесения, необходимо учитывать факторы, влияющие на перенос элементов из почвы в растения. Прежде всего, содержание ТМ в растениях зависит от общей концентрации их в почве. Повышение содержания в ней металлов чаще всего вызывает увеличение содержания их в растениях.
Доступность ТМ для растений зависит и от вида осадка. Наибольшее количество металлов поступают в растения при внесении в почву жидкого анаэробносброженного осадка, в нем металлы находятся в растворимой форме. В то же время в компостах ТМ менее доступны для растений, чем ТМ в осадке. Следовательно, один из возможных путей снижения подвижности ТМ, попадающих в почву вместе с ОСВ – их применение в качестве удобрения в сочетании с навозом, торфом, различными компостами и фосфорными удобрениями.
В определенной степени поступление ТМ из ОСВ в растения зависит от свойств самих металлов. В больших количествах могут накапливаться цинк, кадмий, кобальт, никель; в меньшей – свинец, медь, стронций, ртуть. Это объясняется чаще всего их неодинаковой способностью к взаимодействию с ППК почвы. Взаимодействие элементов друг с другом также оказывает влияние на процесс их поглощения растениями.
Распределение ТМ в растениях носит неравномерный характер. В нем участвуют питательные вещества, вода, поглощенные растениями из почвы и продукты обмена веществ. В вегетативных органах растений металлов обычно накапливается больше, чем в их генеративных частях. Для устранения токсичного действия некоторых металлов в растениях образуются коньюгаты ТМ с эндогенными продуктами обмена веществ. Следует иметь в виду, что растения могут накапливать под действием ОСВ большую биомассу, могут нормально развиваться, а полученная продукция может иметь хороший товарный вид, но концентрация ТМ будет высокой [15, 19].
Абсолютное большинство исследователей в нашей стране и за рубежом отмечают повышение биомассы и продуктивности растений при внесении различных доз осадков сточных вод в качестве удобрения, несмотря на проблему поступления и накопления ТМ.
Анализ литературных источников выявил относительно слабую изученность вопроса, связанного с использованием ОСВ в сельском хозяйстве при отсутствии отечественных исследований по ряду моментов, в том числе по ОСВ с ОСК г. Калуги.
Противоречивость мнений и выводов, существующих в научной литературе об использовании ОСВ в качестве удобрений растений и мелиоранта почв, а также недостаточность экспериментальных данных по использованию в АПК Калужской области осадков сточных вод г. Калуги качестве удобрения сельскохозяйственных культур послужили основанием для проведения наших исследований [7, 27, 30, 31].
Глава 2. Условия и методика проведения исследований
2.1 Условия проведения исследований. Климат и метеорологические условия 2007 года
Район местонахождения учебно-опытного поля характеризуется умеренно-континентальным климатом с теплым летом и умеренно-холодной зимой, устойчивым снежным покровом и хорошо выраженными сезонами.
Переход среднесуточной температуры через +5°С приходится на 18 апреля, а продолжительность периода с температурой выше +5°С составляет 174 – 177 дней. Из приведенных данных видно, что теплом могут быть здесь обеспечены все сельскохозяйственные культуры. Переход среднесуточной температуры воздуха через +10°С приходится на первую декаду мая, а продолжительность периода составляет 135 – 138 дней. Весенние заморозки на ровных открытых местах заканчиваются в среднем 6-10 мая, а осенние начинаются 24 – 27 сентября. Продолжительность безморозного периода составляет 135 – 146 дней. Полное оттаивание почвы наблюдается 23 – 24 апреля. По влагообеспеченности район поля можно отнести к зоне достаточного увлажнения. Сумма осадков за период с температурой выше +10°С составляет 300 – 320 мм, а испаряемость за тот же период 195 – 210 мм.
Источник