Процессы миграции свинца и кадмия в системе почва-растение
На правах рукописи
Линдиман Анастасия Васильевна
ПРОЦЕССЫ МИГРАЦИИ СВИНЦА И КАДМИЯ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ»
Специальность 03.00.16 - Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново-2009
Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре общей химической технологии.
| Научный руководитель: | доктор технических наук, доцент Невский Александр Владимирович |
| Официальные оппоненты: | доктор химических наук, профессор Гусакова Наталия Николаевна |
| кандидат химических наук, доцент Ефимова Галина Александровна |
| Ведущая организация: | Институт экологических проблем Севера Уральского отделения Российской Академии Наук, г. Архангельск |
Защита состоится 18 мая 2009 г. в 10.00 часов в ауд. Г-205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 при ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.
Автореферат диссертации разослан «_____» апреля 2009 г.
Ученый секретарь совета
по защите докторских и кандидатских
диссертаций Гришина Е.П.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
На протяжении последних десятилетий непрерывно повышается уровень антропогенного воздействия на природную среду. Чрезвычайно нежелательным результатом данного воздействия является химическое загрязнение почвы токсическими веществами. К критериальным загрязняющим почву веществам относятся тяжелые металлы (ТМ), источниками поступления которых являются промышленные предприятия, энергетические комплексы, транспорт, сельскохозяйственное производство.
К одним из наиболее токсичных для живых организмов ТМ относятся свинец и кадмий. Установлено, что в настоящее время содержание этих металлов в почвах достаточно часто значительно превышает их фоновые концентрации. Накопление свинца и кадмия в почве в конечном итоге приводит к ее деградации и образованию, так называемых, техногенных пустынь. В этой связи, очистка (восстановление) почв путем извлечения из них избыточного количества ТМ представляет собой весьма актуальную задачу. Известен биотехнологический прием детоксикации почв с помощью растений-аккумуляторов – фиторемедиация, суть которого заключается в очистке почвенного покрова от токсикантов посредством культивирования растений, активно извлекающих и аккумулирующих вредные вещества в своей биомассе. Данная технология достаточно перспективна и привлекательна в связи с тем, что в ее основе лежит естественный природный процесс биологического круговорота, составными частями которого являются: культивирование растений-аккумуляторов, улучшение свойств почв и защит их от эрозии. При этом исключаются какое-либо вредное химическое воздействие на почву и «жесткие» механические инженерно-мелиоративные решения, например, такие как экскавация грунта. С экономической точки зрения фиторемедиация имеет преимущества перед «химическими» и «механическими» методами ремедиации почв, так как ее внедрение не предполагает крупных капиталовложений, и эксплуатационные расходы на реализацию данной технологии невелики.
Следует отметить, что при разработке методов фиторемедиации почв, загрязненных ТМ, в настоящее время существуют определенные проблемы. Эта современная, активно развивающаяся биотехнология восстановления почвенной среды на сегодняшний день является в определенной мере стихийной, с не всегда прогнозируемыми результатами. Причинами такой ситуации являются недостаточная изученность характера протекающих процессов и отсутствие сложившейся теории.
Цель работы: установление закономерностей процессов миграции свинца и кадмия в системе «почва-растение» для извлечения данных металлов из загрязненных почв.
Задачи работы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- установить взаимосвязь между изменением свойств природных растительных сообществ и уровнем антропогенного воздействия на почвенные экосистемы;
- изучить механические и физико-химические свойства почв, влияющие на процессы миграции свинца и кадмия в системе «почва-растение»;
- экспериментально обосновать выбор перспективных растений-аккумуляторов свинца и кадмия с целью извлечения этих металлов из загрязненных почв;
- изучить влияние активатора – янтарной кислоты (ЯК) на интенсификацию процесса извлечения свинца и кадмия из загрязненных данными металлами почв;
Научная новизна.
В ходе работы получены результаты, которые вносят вклад в развитие теории мониторинга окружающей среды и процессов миграции и трансформации ТМ в системе «почва-растение», а именно:
- установлена взаимосвязь между степенью антропогенного воздействия на экосистему (содержанием ТМ в почве) и увеличением доли и густоты стояния рудеральных (сорных, неприхотливых к условиям окружающей среды) видов растений в общем составе растительного сообщества;
- обнаружено, что свинец и кадмий накапливаются, в основном, в надземной части организма растений по сравнению с корневой частью, а именно: при раздельном присутствии тяжелых металлов 60-80 % от общей массы поглощенных растением металлов накапливается в надземной части растения; при совместном присутствии ТМ – свинец равномерно распределяется в корнях и в надземной части, а кадмий на 60-65 % аккумулируется в надземной части растения.
- установлено, что степень извлечения из почвы свинца и кадмия растениями-аккумуляторами зависит от качества (состава) почв и возрастает в ряду: тяжелосуглинистые < среднесуглинистые < легкосуглинистые почвы.
- обнаружено, что введение янтарной кислоты в почву повышает эффективность извлечения тяжелых металлов из загрязненной почвы овсом посевным, горчицей полевой, кресс-салатом: в 8, 5, 16 раз для свинца и в 11, 11, 4 раз для кадмия при раздельном присутствии данных металлов в почве и в 3-10 раз для обоих металлов при их совместном присутствии в почве.
Практическое значение.
На основании научных исследований, выводов и обобщений предложены пути реализации результатов работы:
- показана возможность использования соответствующего набора естественно произрастающих растений (овсяница луговая, крапива двудомная, горчица полевая, мятлик луговой) в качестве индикаторов содержания свинца и кадмия в почвенном покрове;
- рекомендованы перспективные виды растений – овес посевной и горчица полевая для проведения процесса фитоэкстракции свинца и кадмия из загрязненных этими металлами почв;
- сделаны рекомендации по внесению в почву ЯК с целью повышения эффективности извлечения из почвы свинца и кадмия растениями и установлены оптимальные условия применения ЯК в качестве активатора процесса фитоэкстракции свинца и кадмия из загрязненных почв, а именно: при совместном присутствии свинца и кадмия в почве соотношение молярной концентрации ТМ:ЯК должно составлять 1:1, а при раздельном: 1:2 для свинца и 1:1 для кадмия.
Надежность результатов и достоверность выводов.
Надежность полученных результатов обеспечена использованием современных методов исследования, классического аппарата статистической обработки результатов эксперимента. Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, сделанных в работе, обусловлена их соответствием фундаментальным положениям теории мониторинга окружающей среды и процессов миграции и трансформации токсикантов в биосфере.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на: научной конференции «Молодая наука – развитию Ивановской области», г. Иваново, ИвГУ, 2005 г.; студенческой научной конференции, г. Иваново, ИГХТУ, 2005 г.; IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону», г. Вологда, ВоГТУ, 2006 г.; Международной конференции «Климат и окружающая среда», г. Москва, 2006 г.; IV Международной конференции «Сотрудничество для решения проблем отходов», г. Харьков, 2007 г.; Международном экологическом конгрессе (III Международной конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (ELPIT-2007), г. Тольятти, 2007 г.; VII Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей», г. Пенза, 2008 г..
На защиту выносится:
- обоснование взаимосвязи между степенью антропогенного воздействия на экосистему и увеличением доли и густоты стояния рудеральных видов растений в общем составе растительного сообщества;
- обоснование выбора естественно-произрастающих растений для использования в качестве индикаторов содержания свинца и кадмия в почвенном покрове;
- обоснование выбора перспективных видов растений для практического применения в качестве эффективных аккумуляторов свинца и кадмия при извлечении этих металлов из загрязненных почв;
- закономерности распределения свинца и кадмия в различных частях организма растений в зависимости от свойств почвы и ее уровня загрязнения ТМ;
- рекомендации по введению в почву ЯК с целью повышения эффективности извлечения свинца и кадмия растениями и условиям применения ЯК в качестве активатора процесса фитоэкстракции этих металлов из загрязненных почв.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в формулировке цели и задач исследования, проведении эксперимента, обсуждении результатов работы и ее апробации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах, содержит 103 рисунка, 22 таблицы; состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав, основных выводов, списка используемой литературы (237 наименований) и приложения (объемом 20 страниц).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность работы, дана краткая характеристика существующего положения по возможности применения фиторемедиации, как варианта биотехнологического приема извлечения ТМ из загрязненных данными ксенобиотиками почв.
В разделе «Общая характеристика работы» сформулированы цель и задачи исследования, обоснованы научная новизна и практическое значение работы.
Первая глава посвящена анализу современного состояния вопроса о воздействии свинца и кадмия на почву и живые организмы почвенных экосистем и способах детоксикации почвы.
В первом разделе определены основные источники поступления свинца и кадмия в окружающую среду, охарактеризовано токсическое действие данных металлов на почвенные экосистемы, рассмотрены пути миграции свинца и кадмия в компонентах биосферы.
Во втором разделе рассмотрена роль почвы в процессах миграции и трансформации загрязняющих веществ, проведен анализ литературных данных о загрязнении почв свинцом и кадмием в различных районах России и за рубежом. Установлены основные формы нахождения ТМ в почве, возможные пути их миграции по почвенному профилю и биодоступность для растений.
Третий раздел посвящен анализу существующих методов детоксикации почв, загрязненных соединениями ТМ. Механизм токсического действия соединений ТМ на живые организмы можно связать с процессом их взаимодействия с функциональными группами ферментных и мембранных белков, прежде всего, с сульфогидрильными, аминными, карбоксильными, например, по схеме:
Me2+ + HS-R 2 MeS-R + 2H+ (1)
Указанные взаимодействия изменяют конформацию белковых молекул, что приводит к нарушению их ферментной и транспортной активности. Высокое химическое сродство большинства ТМ к данным функциональным группам способствует накоплению токсикантов в растительных организмах.
Отмечен факт отсутствия надежных методов детоксикации почв, загрязненных свинцом и кадмием, за исключением землевания и полной замены верхнего слоя почвы. Отмечены преимущества биологических методов рекультивации почв.
В четвертом разделе описана суть биологического метода очистки почв с помощью растений-аккумуляторов – фиторемедиации, рассмотрены его разновидности, механизмы действия, эколого-экономическая эффективность. Рассмотрено перспективное направление метода фиторемедиации, заключающееся в создании растительно-микробных систем, на основе эндомикоризных грибов и клубеньковых бактерий, которые способны не только поглощать ТМ из почвы, но и обогащать ее питательными элементами.
Пятый раздел посвящен анализу механизмов трансформации ТМ в организме растения. Рассмотрены биохимические механизмы защиты растений, возникающие в стрессовых ситуациях при высоком уровне антропогенного загрязнения. Проанализированы существующие способы утилизации конечных продуктов фиторемедиации почвы.
Во второй главе рассмотрено методическое обеспечение проведения эксперимента, описаны реактивы и материалы, использованные в экспериментальной части работы. Приведена характеристика объектов исследования: растений, выбранных для фитоэкстракции ТМ из почвы (овса посевного, горчицы полевой, кресс-салата, мятлика лугового, ржи посевной, гороха посевного). Кратко изложено описание процессов отбора, подготовки и исследования свойств почв, выбранных для проведения эксперимента, проводимых по стандартизированным методикам. Рассмотрены методики приготовления водных растворов свинца, кадмия и ЯК, используемые для введения в образцы почв в определенных соотношениях в зависимости от задач эксперимента.
Изложено описание методики эксперимента, проводимого в полевых условиях с целью установления взаимосвязи между степенью антропогенного воздействия на экосистему и увеличением доли и густоты стояния рудеральных видов растений в общем составе растительного сообщества. Исследование проведено на примере почвенных экосистем родников Ивановской области. В осенне-летний период проводили бонитировку естественно произрастающей растительности (в радиусе 15 м от родников): идентификацию видов растений, распределение их по группам, определение густоты стояния, степени угнетенности растений.
Изложена методика проведения эксперимента в лабораторных условиях. В стандартные емкости, содержащие пробы почв с фиксированными свойствами, высаживали растения одного вида; после укоренения и стандартизации растений вносили в почву водные растворы нитрата свинца и/или кадмия с расчетной начальной концентрацией ТМ, равной 2; 4; 6; 8; 10 ПДКП. В случае опытов с ЯК начальные мольные отношения ТМ:ЯК составляли 1:0,5, 1:1, 1:2, 1:5. В контрольные пробы свинец и кадмий не вносили. По завершении вегетативного периода высушенную на воздухе биомассу выкопанных растений подвергали «мокрому» озолению с последующим определением концентрации ТМ в анализируемых объектах атомно-абсорбционным методом.
Приведена методика проведения эксперимента в естественных условиях (в стандартных емкостях-коробах под открытым небом, при увлажнении, главным образом, за счет атмосферных осадков). При приготовлении почвы различного механического состава использовали классификацию Н.А. Качинского для подзолистого типа почв. Этапы культивирования, внесения в почву ТМ и ЯК, определения концентрации ТМ были аналогичны этапам проведения лабораторного эксперимента; расчетная начальная концентрация ТМ в почве составляла 4ПДКП.
Приведена методика оценки погрешности экспериментальных данных.
В третьей главе изложены результаты проведения эксперимента, их оценка и анализ.
В первом разделе установлена взаимосвязь между уровнем антропогенного воздействия на почвенные экосистемы природных родников и свойствами растительных сообществ, произрастающих на их территории. Уровень антропогенного воздействия оценивали по содержанию ТМ в почве, а также экспертным путем с учетом близости расположения объектов к автомобильным дорогам, селитебным зонам, неорганизованным свалкам, степени посещаемости их людьми. В течение пяти лет (2003–2007 г.г.) в осенне-летний период проводили бонитировку растительности: идентификацию видов растений, распределение их по группам, определение густоты стояния, степени угнетенности растений. Растения вокруг исследуемых родников были распределены по таксонам: местные – аборигены (произрастающие около родников с низким уровнем антропогенного воздействия), сорно-луговая растительность и рудеральные виды. Анализ полученных результатов (см. рис. 1) показывает, что в видовом составе растительного сообщества количество местных видов растений уменьшается с увеличением степени антропогенной нагрузки, а пришлых, особенно рудеральных растений, возрастает.
Рис. 1. Доля видов растений различных групп, идентифицированных в экосистемах исследуемых природных родников.
Сделан вывод о том, что об увеличении степени антропогенного воздействия на экосистему можно судить по: увеличению доли рудеральных видов растений в общем составе растительного сообщества, густоты стояния рудеральных растений, существенному повышению содержания свинца и кадмия в растениях. Установлено, что среди полевых растений крапива двудомная и овсяница луговая обладают достаточно высокой способностью извлечения (аккумулирования) свинца из почвы. Таким образом, эти виды растений были выбраны нами в числе других для дальнейшего изучения процессов миграции ТМ в системе «почва-растение» в лабораторных и полевых условиях.
Второй раздел посвящен изучению влияния различных факторов на процессы миграции свинца и кадмия в системе «почва-растение». Прежде всего, нами были исследованы характеристики условно чистой почвы, отобранной для проведения эксперимента в лабораторных условиях (см. табл.1).
Принимая во внимание значения приведенных показателей, данный вид почв можно охарактеризовать как средний суглинок, что свойственно для территории Ивановской области. Эти почвы, как правило, обладают умеренной способностью связывать ТМ в трудно подвижные формы. Доли подвижных форм Pb и Cd в их валовом содержании в исследуемой почве составили соответственно 26,7 и 66 %.
Изучение влияния уровня загрязнения почвы свинцом и кадмием при их раздельном присутствии на рост растений и на миграционную способность этих металлов в системе «почва-растение» позволило установить, что растения по-разному реагируют на присутствие в почве свинца и кадмия. Концентрация ТМ в растениях на уровне показателя эффективной дозы (ЭД50), характеризующего содержание ТМ, при котором биомасса данного растения снижается вдвое по сравнению с контрольным опытом (без внесения в почву ТМ), достигается для большинства растений на уровне содержания ТМ в почве, равном 4 ПДКп.
Таблица 1.
Показатели качества условно чистой почвы, используемой для проведения эксперимента в лабораторных условиях
| № | Определяемый показатель | Ед.-цы измерения | Диапазон значений * |
| 1. | Содержание физической глины (частиц < 0,01 мм) | % | 32,00 35,00 |
| 2. | Актуальная кислотность (рН водной вытяжки) | ед. рН | 5,90 6,60 |
| 3. | Обменная кислотность (общая) | мг-экв на 100г почвы | 0,09 0,12 |
| 4. | Обменная кислотность (обусловленная ионами водорода) | мг-экв на 100г почвы | 0,06 0,08 |
| 5. | Обменная кислотность (содержание алюминия) | мг-экв на 100г почвы | 0,03 0,04 |
| 6. | Гидролитическая кислотность | мг-экв на 100г почвы | 3,70 5,40 |
| 7. | Сумма обменных оснований | мг-экв на 100 г почвы | 15,00 19,00 |
| 8. | Гумус | % | 4,00 4,70 |
| 9. | Емкость катионного обмена | мг-экв на 100 г почвы | 18,70 24,40 |
| 10. | Степень насыщенности основаниями | % | 77,87 80,21 |
| 11. | Валовое содержание Сd в почве | мг/кг | 0,05 0,06 |
| 12. | Концентрация подвижной формы Cd в почве | мг/кг | 0,030 0,036 |
| 13. | Валовое содержание Pb в почве | мг/кг | 5,80 6,20 |
| 14. | Концентрация подвижной формы Pb в почве | мг/кг | 1,58 1,62 |
(*) Предельно-допустимая концентрация подвижной формы Сd в почве (ОДКСdп = 0,5 мг/кг).
Предельно-допустимая концентрация валового содержания Pb в почве (ПДКPbп = 32,0 мг/кг).
Предельно-допустимая концентрация подвижной формы Pb в почве (ПДКPbп = 6 мг/кг).
В табл. 2 приведены экспериментальные данные по показателям фитоэкстракции – величинам: фитотоксического эффекта, (ФЭ), характеризующего уровень снижения биомассы растений, выросших на загрязненной почве относительно биомассы растений, выращенных на условно чистой почве; показателя фитотоксичности, (ФТ), характеризующего накопление ТМ в растении в процессе снижения его биомассы; коэффициента биологического поглощения, (Ах), характеризующего миграционную способность металлов из почвы в растения. Все названные показатели приведены для загрязнения почвы на уровне 4 ПДКп.
Таблица 2.
Показатели фитоэкстракции (при уровне загрязнения почвы ТМ на уровне 4 ПДКп)
| Вид растений | Pb | Cd | ||||
| ФЭ | ФТ | Ах 103 | ФЭ | ФТ | Ах 103 | |
| Кресс-салат | 55,1 | 2,0 | 0,30 | 51,3 | 9,7 | 30,0 |
| Горчица полевая | 40,6 | 2,9 | 2,50 | 50,0 | 13,8 | 28,0 |
| Рожь посевная | 52,6 | 75,9 | 0,20 | 60,0 | 0,9 | 0,4 |
| Овес посевной | 25,6 | 1,7 | 6,40 | 50,0 | 10,6 | 14,0 |
| Горох посевной | 36,4 | 1,0 | 0,09 | 52,3 | 37,6 | 2,1 |
| Мятлик луговой | 50,0 | 1,4 | 0,08 | 68,8 | 10,9 | 3,0 |
В меньшей степени соединения свинца снижают биомассу овса, который проявляет достаточно высокую способность извлечения свинца из почвы. Относительно высокую толерантность к кадмию проявляет горчица, которая аккумулирует в своей биомассе значительное количество этого металла. Эти свойства растений, по-видимому, связаны со значительным содержанием специфичных клеток, способных надежно связывать ТМ, ослабляя тем самым действие токсикантов и сохраняя возможность к репродукции остальных клеток растения.
В работе также изучена миграционная способность ТМ в системе «почва-растение» при одновременном присутствии токсикантов в почве. Зависимости изменения коэффициента биологического поглощения свинца и кадмия растениями, выращенными на почвах, загрязнённых только одним металлом (4ПДКп) и металлами при их совместном присутствии в почве на уровне 4ПДКп представлены на рис. 2, 3. Установлено, что степень извлечения свинца исследуемыми растениями снижается при внесении в почву кадмия, что, по-видимому, связано с доминирующей способностью кадмия подавлять процесс роста и развития растений.
Рис. 2. Зависимость коэффициента биологического поглощения свинца от
вида исследуемых растений.
Рис. 3. Зависимость коэффициента биологического поглощения кадмия от
вида исследуемых растений.
Коэффициент биологического поглощения кадмия овсом и горчицей, выращенных на почвах, загрязнённых не только кадмием, но и свинцом, значительно превышает степень извлечения кадмия этими же растениями, выращенными на почве, загрязнённой только кадмием. Это, вероятно, происходит за счет увеличения концентрационного градиента, способствующего переходу большего количества кадмия в растения (высаливающий эффект).
При уровне загрязнения почв на уровне 4 ПДКп соединения свинца и кадмия в большей степени извлекаются овсом и горчицей; аналогичная тенденция наблюдается и при раздельном присутствии свинца и кадмия в почве (см. табл.2).
В ходе исследования была изучена закономерность распределения свинца и кадмия в корнях и надземной части растений. Для оценки характера распределения металлов в различных частях растений введен показатель – степень накопления свинца и кадмия в надземной части растения и его корнях. На рис.4 приведены значения данного показателя для овса, выращенного на почвах, загрязненных свинцом и кадмием при совместном и раздельном присутствии и уровне загрязнения 4 ПДКп.
Рис. 4. Изменения степени накопления ТМ корнем и надземной частью овса:
1 – свинец 4 ПДКп; 2 –Pb в присутствии Cd по 4 ПДКп; 3 – кадмий 4 ПДКп; 4 – кадмий в присутствии свинца по 4 ПДКп.
Соединения свинца при его раздельном присутствии, в основном, накапливаются в надземной части овса, а в присутствии кадмия – равномерно в корне и надземной части. Соединения же кадмия, как при раздельном, так и при совместном присутствии со свинцом, концентрируются, в основном, в надземной части, однако, при раздельном присутствии кадмия его концентрирование в надземной части существеннее. Данный факт, очевидно, связан с тем, что при загрязнении почвы на уровне 4 ПДКп защитная роль корневой части растений практически исчерпана, и металлы с питательным раствором проникают в надземные органы исследуемых растений.
В работе было изучено влияние изменения механического состава искусственно приготовленной почвы на эффективность фитоэкстракции свинца и кадмия выбранными ранее растениями (см. табл. 3). В этом случае эксперимент проводили в естественных условиях. Доля подвижных форм Pb и Cd в их валовом содержании в исследуемой почве составило соответственно: для тяжелого суглинка – 28% и 47,5 %, для среднего суглинка – 40% и 52 %, для легкого суглинка – 62% и 75 %. При этом валовое содержание свинца и кадмия в исследуемой почве не превышало ПДКп для каждого металла.
Данные по изменению фитотоксического эффекта в этом случае приведены на рис.5. Установлено, что наиболее устойчивыми к воздействию свинца и кадмия и в большей степени аккумулирующими их в своей биомассе являются растения, произрастающие на почвах легкого состава. Степень поглощения ТМ возрастает по сравнению с аналогичными исследованиями в лабораторных условиях, что, очевидно, связано с обеспечением более благоприятных (в основном, инсоляционных) условий роста и развития растений, а также с соответствием естественному биологическому циклу.
Третий раздел посвящен изучению в лабораторных условиях возможности интенсификации процесса фитоэкстракции свинца и кадмия за счет введения в почву активирующей добавки - янтарной кислоты (ЯК):
(2)
ЯК относится к физиологически активным веществам и используется на практике в качестве биостимулятора роста растительной продукции в сельском хозяйстве.
Таблица 3.
Показатели качества почв различного механического состава, используемых для проведения эксперимента в естественных условиях
| № | Определяемый показатель | Единицы измерения | Значение | ||
| Тяжелый суглинок | Средний суглинок | Легкий суглинок | |||
| 1 | Содержание физической глины (частиц < 0,01 мм) | % | 45 49 | 30 33 | 21 25 |
| 2 | Актуальная кислотность (рН водной вытяжки) | ед. рН | 7,0 7,2 | 6,4 6,8 | 6,5 6,7 |
| 3 | Обменная кислотность (общая) | мг-экв на 100г почвы | 0,30 0,40 | 0,10 0,20 | 0,08 ± 0,06 |
| 4 | Обменная кислотность (обусловленная ионами водорода) | мг-экв на 100г почвы | 0,15 0,30 | 0,07 0,09 | 0,06 0,07 |
| 5 | Обменная кислотность (содержание алюминия) | мг-экв на 100г почвы | 0,10 0,15 | 0,01 0,03 | 0,01 0,02 |
| 6 | Гидролитическая кислотность | мг-экв на 100г почвы | 6 8 | 5 7 | 5 7 |
| 7 | Сумма обменных оснований | мг-экв на 100 г почвы | 9 11 | 17 21 | 36 40 |
| 8 | Гумус | % | 3 4 | 5 6 | 6 7 |
| 9 | Емкость катионного обмена | мг-экв на 100 г почвы | 16 19 | 23 26 | 42 48 |
| 10 | Степень насыщенности основаниями | % | 57 60 | 73 77 | 85 90 |
| 11 | Валовое содержание Сd | мг/кг | 0,07 0,09 | 0,05 0,07 | 0,03 0,05 |
| 12 | Концентрация подвижной формы Сd | мг/кг | 0,030 0,041 | 0,016 0,020 | 0,035 0,040 |
| 13 | Валовое содержание Pb | мг/кг | 7,2 7,5 | 6,4 6,8 | 6,1 6,4 |
| 14 | Концентрация подвижной формы Pb | мг/кг | 2,0 2,5 | 2,6 3,0 | 3,7 4,2 |
Рис. 5. Изменения фитотоксического эффекта, оказываемого свинцом и кадмием, на растения, выращенные на почвах различного механического состава.
Наиболее вероятным механизмом поступления свинца и кадмия в растения является механизм, представленный следующей схемой:
MeО + Н+
Ме2+
| Образование нерастворимых соединений MeСО3, Ме3(РО4)2, МеSO4 и др. | Адсорбция на глинистых минералах | Комплексообразование с гумусовыми кислотами | (3) |
Ме2+
почвенный раствор
растения
Свинец и кадмий образуют с ЯК достаточно прочные водорастворимые комплексы типа:
{Me(H2O)4(OOC(CH2)2COO)}n (4)
Катионы Me2+ шестикоординированы и образуют с молекулами H2O и дианионом ЯК олигомерную цепочечную структуру. В лабораторный условиях выращивали овес, салат и горчицу на почвах, в которые вводили постоянное количество ТМ (на уровне 4 ПДКп) и различное количество ЯК при мольном соотношении ТМ:ЯК, равном 1:0,5, 1:1, 1:2, 1:5.
Проведенный анализ весовых характеристик биомассы растений показал, что внесение в почву ЯК повышает устойчивость растений к воздействию ТМ. В принципе, это может быть следствием как образования в почве малоподвижных (большого размера) форм свинца и кадмия за счет процессов комплексообразования ТМ с ЯК, так и усиления за счет биостимулирующих свойств ЯК ответных защитных реакций растений на токсическое действие металлов, так и одновременного действия первых двух механизмов. Для установления вклада того или иного механизма активирующего действия ЯК на процесс фитоэкстракции ТМ исследовали зависимости изменения показателя фитотоксичности, представленные на рис. 6, 7.
Рис. 6. Изменения показателя фитотоксичности свинца относительно пробы с добавлением ЯК, но без внесения ТМ:
1 – свинец; 2 –свинец и ЯК в соотношении 1:0,5; 3 – свинец и ЯК в соотношении 1:1; 4 – свинец и ЯК в соотношении 1:2; 5 – свинец и ЯК в соотношении 1:5.
Рис. 7. Изменения показателя фитотоксичности кадмия относительно пробы с добавлением ЯК, но без внесения ТМ:
1 – кадмий; 2 – кадмий и ЯК в соотношении 1:0,5; 3 – кадмий и ЯК в соотношении 1:1; 4 – кадмий и ЯК в соотношении 1:2; 5 – кадмий и ЯК в соотношении 1:5.
Анализ экспериментальных данных показал, что содержание свинца и кадмия в растениях в присутствии ЯК, выше, чем в растениях, выращенных на почвах без ее добавления. Следовательно, можно предположить, что существенный вклад в интенсификацию процесса фитоэкстракции вносит процесс детоксикации (иммобилизации) ТМ в организме растения под действием ЯК. Установлено, что наиболее устойчивыми к воздействию ТМ и способными к их аккумуляции в своей биомассе становятся растения при начальном мольном соотношении ТМ и ЯК 1:1. Из данных рис. 6 и 7 видно, что дальнейшее повышение концентрации ЯК в почве нецелесообразно.
Нами изучено влияние внесения в почву постоянного количества кадмия (на уровне 4ПДКп) на устойчивость растений при их выращивании на почве, содержащей постоянное количество свинца (на уровне 4ПДКп) при его различных мольных соотношениях с ЯК. Зависимость изменения коэффициента биологического поглощения ТМ овсом, выращенным на почве, загрязненной свинцом и кадмием при их раздельном и совместном присутствии с добавлением ЯК, приведена на рис.8.
Рис. 8. Изменения коэффициента биологического поглощения свинца и кадмия овсом, выращенным на почве при внесении:
1а – свинец и ЯК в соотношении 1:1; 1б – кадмий и ЯК в соотношении 1:1; 2а – свинец и ЯК в соотношении 1:1 в присутствии кадмия; 2б – кадмия и ЯК в соотношении 1:1 в присутствии свинца; 3а – свинец в присутствии кадмия; 3а – кадмий в присутствии свинца.
Видно, что внесение в почву, содержащую свинец и ЯК, соединений кадмия снижает миграционные свойства обоих металлов и, следовательно, способность овса аккумулировать ТМ в своей биомассе. Причем, при введении кадмия в почву, загрязненную свинцом миграционная способность соединений кадмия выше, чем соединений свинца, а при введении ЯК ситуация меняется на противоположную. Это, по-видимому, связано с тем, что свинец активнее кадмия вступает в процесс комплексообразования с ЯК и поступает в растение, так как его содержание в почве превышает на порядок содержание кадмия.
В работе изучено влияние механического состава искусственно приготовленных почв на миграционные свойства свинца и кадмия в присутствии ЯК, эксперимент проводили в естественных условиях. На рис. 9 приведены зависимости изменения величины фитотоксического эффекта для исследуемых растений, выращенных на почвах различного механического состава, в которые одновременно добавляли свинец и кадмий и ЯК в мольном соотношении 1:1.
Рис. 9. Влияние механического состава почвы на величину фитотоксического эффекта.
В качестве контрольных брали растения, выращенные на почвах без добавления свинца (кадмия) и ЯК. При расчете величины фитотоксического эффекта использовали значение биомассы растений контрольного опыта. Видно, что введение ЯК, положительно влияет на рост и развитие исследуемых растений. Наиболее устойчивыми являются растения, произрастающие на легкосуглинистых почвах, даже при совместном присутствии в них свинца и кадмия, причем у овса прирост биомассы наибольший.
Данные по изменению коэффициента биологического поглощения свинца и кадмия растениями при их выращивании на почвах различного механического состава, в которые вводили оба металла и ЯК в соотношении 1:1:1, приведены на рис. 10, 11.
Рис. 10. Изменения коэффициента биологического поглощения свинца растениями, выращенными на почвах различного механического состава.
В большей степени поглощают ТМ из почв растения, произрастающие на легкосуглинистых почвах. Степень извлечения свинца и кадмия из почв растениями, выращенными в естественных условиях, возрастает по сравнению с аналогичными параметрами эксперимента в лабораторных условиях, Также как и в условиях эксперимента без внесения в почву ЯК, данный факт может быть связан с обеспечением более благоприятных условий роста и развития растений.
Рис. 11. Изменения коэффициента биологического поглощения кадмия растениями, выращенными на почвах различного механического состава.
Принципиальные результаты эксперимента, проведенного в лабораторных условиях, получили свое подтверждение при проведении эксперимента в естественных условиях.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Установлено, что увеличение доли рудеральных видов растений в общем составе растительного сообщества и густоты их стояния свидетельствует о возрастании уровня антропогенного воздействия (содержания свинца и кадмия в почве) на почвенную экосистему.
- Показана возможность использования соответствующего набора естественно произрастающих растений в качестве индикаторов содержания свинца и кадмия в почвенном покрове, причем, наилучшими индикаторами в этом случае являются такие виды растений, как овсяница луговая, крапива двудомная, горчица полевая, мятлик луговой.
- Установлены перспективные виды растений, которые могут быть рекомендованы для проведения процесса фитоэкстракции свинца и кадмия из загрязненных почв; показано, что к таким растениям относятся овес посевной и горчица полевая, которые толерантны к воздействию свинца и кадмия до значений концентраций этих металлов в почве на уровне 4ПДКп.
- Установлены закономерности распределения свинца и кадмия в различных частях организма растений с учетом раздельного или совместного присутствия тяжелых металлов в почве: при раздельном присутствии тяжелых металлов: 60-70 % свинца и 70-80% кадмия от общей массы поглощенного растением металла накапливается в надземной части растения; при совместном присутствии тяжелых металлов - свинец равномерно распределяется в корнях и в надземной части, а кадмий на 60-65 % аккумулируется в надземной части.
- Обнаружено, что степень извлечения из почвы свинца и кадмия растениями-аккумуляторами зависит от качества (состава) почв и возрастает в ряду: тяжелосуглинистые < среднесуглинистые < легкосуглинистые почвы, а именно, степень извлечения на легкосуглинистых почвах в 1,3 раза выше степени извлечения данных металлов на среднесуглинистых почвах и в 2 раза выше степени их извлечения на тяжелосуглинистых почвах.
- Установлено, что внесение в почву активатора – янтарной кислоты повышает эффективность процесса фитоэкстракции свинца и кадмия (при их содержании в почве на уровне 4 ПДКп) овсом посевным, горчицей полевой, кресс-салатом: соответственно в 8; 5; 16 раз для свинца и в 11; 11; 4 раза для кадмия при раздельном присутствии данных металлов в почве и в 4; 10; 3 раза для свинца и в 1,3; 3; 2 раза для кадмия при их совместном присутствии в почве.
- Установлены оптимальные условия применения янтарной кислоты в качестве активатора процесса фитоэкстракции свинца и кадмия из загрязненных почв: при раздельном присутствии данных металлов в почве рекомендуемые мольные соотношения тяжелого металла и янтарной кислоты составляют 1:2 для свинца и 1:1 для кадмия, при совместном присутствии тяжелых металлов в почве это соотношение составляет 1:1.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
- Васильцова А.В., Куприяновская А.П., Шведова Л.В., Невский А.В. Оценка уровня антропогенного воздействия на экосистемы природных родников Ивановской области // Молодая наука – развитию Ивановской области: Тезисы обл. конф. – Иваново, 2005. – С. 156, 157.
- Васильцова А.В., Шведова Л.В., Куприяновская А.П., Невский А.В. Тяжелые металлы в компонентах экосистем // Вузовская наука – региону: Тезисы IV Всеросс. научно-техн. конф. – Вологда, 2006. – С. 395-397.
- Nevsky A.V., Lutai G.F., Sharnin V.A., Shvedova L.V., Vasiltsova A.V. Ecological Monitoring Of The Uvod Reservoir Of Ivanovo Region // Climate And Environment: Materials of the Conf. - Moscow - Amsterdam, April, 2006. Р. 55 – 60.
- Линдиман А.В., Шведова Л.В., Тукумова Н.В., Невский А.В. Повышение эффективности фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Сотрудничество для решения проблем отходов: Тезисы IV Межд. конф. – Харьков, 2007, С 53.
- Линдиман А.В., Шведова Л.В., Тукумова Н.В., Невский А.В. Повышение эффективности фиторемедиации почв за счет процессов комплексообразования // Состояние биосферы и здоровье людей: Тезисы VII Межд. научно-практич. конф. – Пенза, 2007. – С. 131-132.
- Линдиман А.В., Шведова Л.В., Невский А.В. Изучение процесса фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: Тезисы III Межд. конф. – Тольятти, 2007, С. 145-147.
- Линдиман А.В., Шведова Л.В., Тукумова Н.В., Невский А.В. Фиторемедиация почв, содержащих тяжелые металлы // Журнал «Экология и промышленность России». – 2008, № 9. – С. 45 – 47.
- Линдиман А.В., Буймова С.А., Шведова Л.В., Куприяновская А.П., Невский А.В. Уровень антропогенного воздействия на экосистемы как функция свойств растительных сообществ // «Вестник МИТХТ», 2008, т. 3, № 6. – С. 67-74.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь и поддержку при выполнении работы: к.х.н., доц. Л.В. Шведовой, к.х.н., доц. А.П. Куприяновской, к.х.н., доц. Н.В. Тукумовой, к.х.н., доц. Т.А.Чесноковой.
Ответственная за выпуск: А.В. Линдиман
| Подписано в печать Усл.п.л. Уч. Изд. л. ____ |
| Формат бумаги 6084 1/16. Тираж экз. Заказ. |
| Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| «Ивановский государственный химико-технологический университет» |
| 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7. |
| Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» |
