Применение фитоэкстракции при полиэлементном загрязнении чернозема

Опыт проводился согласно модели описанной в таблице 5.4. В почвы опытных делянок вносились тяжелые металлы медь и цинк одновременно и по отдельности в виде CuS04*5H20 и ZnS04 X 7Н20 в дозах 1, 2, и 10 ОДК (110, 220, 1 100 мг/кг для цинка и 66, 132, 660 мг/кг для меди) (ГН 2.1.7.020-94, 1994).

Таблица 5.4

Модель закладки мелкоделяночного эксперимента

№ варианта опыта

ТМ загрязнитель

Доза загрязнения, ОДК (валовое содержание)

Количество внесенного в почву металла, мг/кг

Zn | Си

1

-

Контроль

Не вносили

2

Zn

1

110

-

3

Zn

2

220

-

4

Zn

10

1 100

-

5

Си

1

-

66

6

Си

2

-

132

7

Си

10

-

660

8

Zn + Си

1

110

66

9

Zn + Си

2

220

132

10

Zn + Си

10

1 100

660

В почвы контрольных делянок с фоновым содержанием цинка и меди (31 и 14 мг/кг) поллютанты не вносились (Таблица 5.4). По истечении трех недель с момента загрязнения производили посадку семян горчицы сарептской и ячменя обыкновенного (три повторения для каждого вида растения). Расположение делянок - рендомизированное. Сбор фитомассы горчицы в фазу цветения, ячменя в фазу восковой спелости зерна.

В опыте отмечалось отсутствие всхожести семян горчицы и ячменя в вариантах опыта с моно- и полиэлементным загрязнением почвы ионами меди при дозе загрязнения 660 мг/кг. Данная концентрация ТМ в почве является фактором, ингибирующим прорастание семян.

При изучении влияния полиэлементного загрязнения цинком и медью) на аккумуляцию этих металлов растениями горчицы и ячменя установлено, что при моноэлементном загрязнении почвы ионами меди содержание металла в корнях и побегах растений ячменя и горчицы возрастает с увеличением содержания поллютанта в почве от фонового до 2 ОДК (Таблица 5.5).

Таблица 5.5

Зависимость содержания цинка и меди в органах растений от степени загрязнения почвы при моноэлементном загрязнении, изменение транслокационного фактора (ТФ) у растений

Растение

ТМ

Органы растений

Доза внесенных загрязнителей, ОДК валовое

Контроль

(фон)

1 ОДК

2 ОДК

10 ОДК

Г орчица сарептская

Си

Корни

6,2

11,6

17,0

-

Побеги

4,7

13,0

10,0

-

ТФ

0,8

1,2

0,6

-

Zn

Корни

31,0

23,0

52,0

121,0

Побеги

31,0

46,0

40,0

76,0

ТФ

1,0

2,0

0,8

0,6

Ячмень

обыкновенный

Си

Корни

4,1

10,1

8,6

-

Побеги

2,7

7,9

5,7

-

ТФ

0,7

0,8

0,7

-

Zn

Корни

13,1

40,0

58,0

390,0

Побеги

10,0

31,0

63,0

121,0

ТФ

0,8

0,8

1,1

0,3

При моноэлементном загрязнении почвы цинком концентрация металла в побегах горчицы также возрастает с увеличением его содержания в почве, но в корнях наблюдается снижение содержания цинка в варианте опыта с дозой отдельно внесенного в почву цинка 1 ОДК. У ячменя при увеличении содержания цинка в почве отмечен рост содержания металла в корнях и побегах. В вариантах опыта с моноэлементным загрязнением почвы цинком (доза 1 ОДК) и медью (доза 1 ОДК) у горчицы сарептской выявлено увеличение скорости транспорта ТМ из корней в побеги. Транслокационный фактор больше единицы для обоих металлов. У растений ячменя транслокационный фактор не превышал единицы практически во всех вариантах опыта. Исключением является вариант опыта с загрязнением цинком дозой 2 ОДК, где ТФ равен 1,1.

При увеличении концентрации ТМ в почве до 2 ОДК у горчицы сарепт- ской наблюдается снижение миграции ТМ из корней в побеги. Содержание и меди, и цинка в корнях заметно выше, чем в побегах (Таблица 5.5). У растений ячменя скорость транспорта цинка значительно падает при увеличении загрязнения почвы до 10 ОДК (1 100 мг/кг). Интенсивность переноса меди снижается при дозе загрязнения почвы, равной 2 ОДК. По-видимому, концентрации загрязнителей, при которых происходит торможение их транспорта в побеги растений, являются порогами токсичности. Данный эффект обусловлен активацией физиологических барьеров, находящихся на границе «корень-побег» (Квеси- тадзе и др., 2005).

Данные, изложенные в таблице 5.6, демонстрируют, что динамика аккумулирующей способности горчицы сарептской по отношению к изучаемым металлам при полиэлементном загрязнении почвы схожа с таковой при моноэле- ментном загрязнении. Необходимо отметить, что содержание ТМ в побегах и корнях горчицы при полиэлементном загрязнении достоверно выше, чем при моноэлементном (Р=0,05).

Таблица 5.6

Зависимость содержания цинка и меди в органах растения от степени загрязнения почвы при полиэлементном загрязнении, изменение транслокационного фактора (ТФ) растений

Растение

ТМ

Орган

растения

Доза загрязнения почв, ОДК валовое

Фон

1 ОДК

2 ОДК

Горчица сарепт- ская

Си

Корни

6,2

34,0

53,0

Побеги

4,7

47,0

20,0

ТФ

0,8

1,4

0,4

Zn

Корни

31,0

63,0

135,0

Побеги

31,0

120,0

87,0

ТФ

1,0

1,9

0,6

Ячмень обыкновенный

Си

Корни

4,1

12,4

9,4

Побеги

2,7

7,9

6,5

ТФ

0,6

0,6

0,7

Zn

Корни

13,1

89,3

67,1

Побеги

10,0

66,0

46,2

ТФ

0,8

0,7

0,7

Максимальное содержание Zn в побегах горчицы установлено в варианте опыта с дозой 1 ОДК одновременного загрязнения цинком и медью (110 и 66 мг/кг). Оно составило 120 мг/кг, что в 3,9 раза выше данного показателя на контроле и в 2,6 раза выше, чем в варианте опыта при моноэлементном загрязнении почвы цинком дозой 1 ОДК. В этом же варианте опыта зафиксировано максимальное содержание Си в побегах горчицы - 47 мг/кг, что в 10 раз выше данного показателя на контроле и в 3,6 раза выше, чем при моноэлементном загрязнении почвы медью дозой 1 ОДК. В варианте опыта с уровнем загрязнения 2 ОДК (Zn+Cu) наблюдался максимум содержания ТМ в корневой системе горчицы сарептской. Для цинка он составил 135 мг/кг, для меди - 53 мг/кг, что в 4,3 и 8,5 раза выше, чем на контроле и соответственно в 2,5 и 3,1 раза выше, чем в вариантах опыта с моноэлементным загрязнением почвы (2 ОДК Zn и 2 ОДК Си - раздельное внесение).

Аккумуляция меди ячменем обыкновенным при полиэлементном загрязнении почвы аналогична таковой при моноэлементном загрязнении. Содержание меди в побегах и корнях ячменя, выращенного на почве с полиэлементным загрязнениям ТМ, имеет схожие значения с растениями ячменя, выращенными на почве с монозагрязнителем медью.

Содержание цинка в корнях и побегах ячменя при повышении уровня загрязнения почвы от 1 до 2 ОДК заметно снижается, но в целом накопление металла органами ячменя при невысоком уровне полиэлементного загрязнения почвы выше, чем при аналогичном моноэлементном.

Максимум содержания цинка в корнях и побегах ячменя отмечен в варианте опыта с дозой отдельно внесенного цинка 1 100 мг/кг, он равнялся 390 и 121 мг/кг, что в 29,7 и 12,1 соответственно выше, чем на контроле. Самая высокая концентрация меди в корнях ячменя в 3,04 раза выше контрольных образцов и в 1,2 раза выше, чем при моноэлементном загрязнении медью, она наблюдалась в варианте опыта при одновременном загрязнении цинком и медью дозами 10 ОДК. В этом же варианте опыта отмечена наивысшая концентрация Си в побегах ячменя обыкновенного - 7,9 мг/кг, что в 2,9 раза выше, чем на контроле.

Пороги токсичного содержания металлов в черноземе при полиэлементном загрязнении для горчицы находятся в тех же пределах (1-2 ОДК), что и при отдельном внесении металлов в почву. Для ячменя при полиэлементном загрязнении чернозема типичного дозами 1 и 2 ОДК пороги токсичности меди и цинка выявлены не были.

В результате статистической обработки экспериментальных данных мы получили эмпирические модели зависимости концентрации цинка и меди в корнях горчицы сарептской от их содержания в почве, которые описываются следующими уравнениями (Рисунок 5.3):

1. уравнение зависимости содержания цинка в корнях горчицы сарептской от содержания ТМ в почве

где х- содержание меди в почве (ОДК), z - содержание цинка в почве (ОДК), у - содержание цинка в корнях горчицы (мг/кг);

2. уравнение зависимости содержания меди в корнях горчицы сарептской от содержания ТМ в почве

где х - содержание меди в почве (ОДК), z - содержание цинка в почве (ОДК), у - содержание меди в корнях горчицы (мг/кг).

Модели расчета концентраций цинка и меди в корнях горчицы сарептской (для Zn R2=0,96, для Си R2=0,94)

Рис. 5.3. Модели расчета концентраций цинка и меди в корнях горчицы сарептской (для Zn R2=0,96, для Си R2=0,94)

Изучение абсолютно сухой массы растений показало, что наибольшее накопление биомассы побегами исследуемых растений отмечалось в почвах с фоновым содержанием металлов (контроль). При загрязнении почвы ТМ наблюдалось угнетение растений и падение урожая биомассы (Рисунок 5.4).

При полиэлиментном загрязнении и при моноэлементном загрязнении почвы медью наблюдается резкое снижение биомассы при возрастании концентраций поллютантов от фонового значения до 1 ОДК, затем при дальнейшем росте загрязнителя до 2 ОДК уменьшение биомассы имеет менее выраженных характер.

Зависимость накопления надземной биомассы растениями от дозы и характера

Рис. 5.4. Зависимость накопления надземной биомассы растениями от дозы и характера

загрязнения почвы ТМ

При моноэлементном загрязнении чернозема цинком обратной зависимости на графике (Рисунок 5.4) не наблюдается. Отмечено скачкообразное увеличение биомассы при дозе 2 ОДК у горчицы и при дозе 10 ОДК у ячменя.

При полиэлементном загрязнении почвы оба растения имеют большую урожайность, чем при моноэлементном. Также стоит отметить, что на загрязненном цинком черноземе урожайность растений горчицы и ячменя выше, чем при загрязнении медью.

У горчицы сарептской наблюдалась обратная зависимость между длиной побегов и содержанием ТМ в почве. Самые высокие растения были на контроле, самые низкие побеги наблюдались при моноэлементном загрязнении почвы медью. У ячменя динамика длины побегов схожа с таковой у горчицы лишь при полиэлементном загрязнении почвы: самые высокие растения зарегистрированы в варианте опыта с моноэлементным загрязнением почвы цинком дозой 2 ОДК, самые низкие - в варианте опыта с моноэлементным загрязнением медью дозой 1 ОДК. В целом отмечено, что растения, выращенные на загрязненных цинком почвах, имеют большую длину, чем при выращивании их на почвах с медным загрязнением. Данное явление, как и рассмотренная выше урожайность побегов, свидетельствует о том, что медь для изучаемых нами растений, является более токсичным элементом, чем цинк (Водяницкий, 2011) (Рисунок 5.5).

Средняя длина побегов растений в зависимости от дозы и характера загрязнения

Рис. 5.5. Средняя длина побегов растений в зависимости от дозы и характера загрязнения

почвы ТМ

Показатели биологического выноса ТМ растениями так же указывают на то, что цинк обладает большей биологической доступностью для растений, чем медь. Вынос цинка ячменем обыкновенным и горчицей сарептской значительно превосходит результаты выноса меди данными растениями независимо от характера и дозы загрязнения почвы (Рисунки 5.6, 5.7).

Заметим, что при средних и высоких дозах моноэлементного загрязнения почвы ячмень обладает более интенсивной фиторемедиационной способностью, чем горчица, по отношению к цинку. При низких дозах загрязнения фи- торемедиационная способность растений практически одинакова. Показатели выноса меди исследуемыми растениями имеют равные значения (Рисунок 5.6).

Зависимость выноса ТМ побегами растений от дозы моноэлементного загрязнения почвы

Рис. 5.6. Зависимость выноса ТМ побегами растений от дозы моноэлементного загрязнения почвы.

Фиторемедиационная способность, проявленная горчицей по отношению к цинку и меди, при полиэлементном загрязнении чернозема типичного значительно превосходит таковую у ячменя во всех вариантах опыта (Рисунок 5.7).

Зависимость выноса ТМ побегами растений от дозы иолиэлементного загрязнения почвы

Рис. 5.7. Зависимость выноса ТМ побегами растений от дозы иолиэлементного загрязнения почвы

Установлено, что при полиэлементном загрязнении чернозема типичного биологический вынос металлов растениями горчицы и ячменя достоверно выше, чем при моноэлементном загрязнении почвы. По-видимому, одновременное присутствие в почве высоких концентраций меди и цинка стимулирует накопление биомассы растений и поступление ТМ в органы растений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >