Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Детоксицирующая способность почв и выделенных из них гуминовых кислот по отношению к гербицидам

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Детоксицирующая способность почв и выделенных из них гуминовых кислот по отношению к гербицидам"

'Л/ \

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Анисимова Марина Анатольевна

Детоксицирующая способность почв и выделенных из них гуминовых кислот по отношению к гербицидам

03.00.27-почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре общего земледелия Факультета почвоведения Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова

Научные руководители: кандидат биологических наук,

доцент Г.Ф. Лебедева

кандидат химических наук, старший научный сотрудник И.В. Перминова

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

Б.М. Когут

доктор биологических наук, профессор Ю.Я. Спиридонов

Ведущее учреждение: ЦИНАО (Центральный институт

агрохимического обслуживания сельского хозяйства)

Защита состоится » Ч€4СС;(£ г> £\997 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории М-2 Факультета почвоведения МГУ на заседании Диссертационного Совета К.053.05.16.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Факультет почвоведения. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Факультета почвоведения

МГУ.

Автореферат разослан ^ »

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного Совета по почвоведению в МГУ, а отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Факультет почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор биологических наук, профессор

Г.В. Мотузова

Актуальность темы. Применение средств химической защиты растений, ставшее еотъемлемым элементом практики современного земледелия, привело к возникновению роблемы загрязнения почвенного покрова остаточными количествами гербицидов и их [етаболитов. В связи с этим в последние годы ведутся интенсивные изыскания по поиску етоксицирующих агентов, внесение которых в почву способствовало бы связыванию и »активации гербицидов. Однако до сих пор весьма ограничен круг исследований по ыявлению факторов, определяющих устойчивость почв по отношению к гербицидам. Так, есмотря на многочисленные указания в литературе на важную роль органического ещества почв и, в частности, гуминовых кислот (ГК) в процессах детоксикации гербицидов азличных классов (Hayes, 1970; Самгин, 1975; Maqueda ct al., 1990; Liu et al., 1996), рактически отсутствуют комплексные исследования, направленные на изучение и опоставление детоксицирующих свойств различных почв и формирующихся в них ГК. 'роме того, подходы к количественной оценке детоксицирующей способности как почв, так ГК в отношении различных классов гербицидов разработаны недостаточно.

В связи с изложенным, систематическое исследование детоксицирующих свойств очв и выделенных из них ГК при смене типовой принадлежности почв в соответствии с аконом широтной зональности и при различном виде их хозяйственного использования вляется важной и актуальной задачей, решение которой позволит найти новые подходы к егулированию токсичности гербицидов в условиях почвенной среды, а также использовать уминовые препараты в качестве детоксикантов.

Цель работы. Целью настоящей работы было изучение детоксицирующей пособности почв различной типовой принадлежности и вида хозяйственного спользования и выделенных из них гуминовых кислот по отношению к гербицидам азличных классов, а также установление роли ГК в детоксикации этих гербицидов в очвенной среде.

В связи с этим были поставлены следующие задачи: изучить детоксицирующую способность почв в зависимости от типовой принадлежности и вида хозяйственного использования по отношению к гербицидам- представителям двух классов (сим-триазинов и динитроанилинов);

выявить свойства почв, определяющие их детоксицирующую способность;

изучить детоксицирующую способность препаратов ГК, выделенных из исследуемых

почв, по отношению к тем же гербицидам;

выявить свойства ГК, определяющие их дслоксицирующую способность;

• на основании сопоставления дегоксицирующей способности почв и выделенных из них ГК оценить роль ПС в формировании детоксицирующего потенциала почв по отношению к различным гербицидам.

Научная новизна. Впервые осуществлено систематическое исследование детоксицирующей способности почв и выделенных из них препаратов ГК по отношению к трифлуралину и атразипу в непрерывном зональном ряду "дерново-подзолистые - серые лесные - черноземы" для окультуренных и целинных вариантов почв. Впервые произведено сопоставление детоксицирующей способности почв и выделенных из них препаратов ГК, которое позволило оценить роль ГК в формировании детоксицирующего потенциала почв по отношению к гербицидам различной химической природы. На основании корреляционного анализа данных по структуре и детоксицирующей способности ГК впервые установлено, что относительный вклад ароматических фрагментов (по сравнению с алифатическими) в структуру ГК является параметром, определяющим детоксицирующую способность гуминовых кислот по отношению к рассматриваемым гербицидам: увеличение содержания ароматических фрагментов способствует повышению детоксицирующего потенциала ГК.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке рекомендаций по оптимизации применения гербицидов, относящихся к производным сим-триазинов и динитроанилинов, на почвах различных типов в зависимости от содержания и качественного состава органического вещества. Обнаруженная тесная взаимосвязь между детоксицирующей способностью ГК и относительным вкладом ароматических фрагментов в структуру ГК по сравнению с алифатическими позволяет сделать вывод о целесообразности применения в качестве детоксикантов гербицидов гуминовых препаратов с высоким содержанием ароматических структур (на основе углей).

Материалы диссертации используются при чтении спецкурсов на кафедре общего земледелия факультета почвоведения и на кафедре органической химии химического факультета МГУ.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 9-ом Международном Коллоквиуме по оптимизации питания растений (Прага, 1996); на Международной научной конференции молодых ученых "Ломоносов-97" (Москва, 1997), на Международном Симпозиуме, посвященном роли гумусовых веществ в процессах переноса органических загрязнителей и металлов в почвенных и водных экосистемах (Анахейм. США, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, ;писка литературы и приложения. Материалы диссертации содержат 130 страниц машинописного текста. Работа иллюстрирована 4 таблицами, 14 рисунками. Список штературы включает 165 источников, из которых 100 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Дан анализ отечественных и зарубежных публикаций по теме исследования. Изложен материал по влиянию типовой принадлежности и вида использования почв на их ;пособность инактивировать гербициды различных химических классов. Рассмотрена ¡ависимость структуры и свойств гуминовых кислот от типа и вида использования почв. Этмечена роль гуминовых кислот в процессах "связывания" гербицидов, описаны механизмы взаимодействия "ГК - гербицид". Рассмотрено влияние ГК на токсичность хрбицидов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Отбор образцов почв и выделение препаратов ГК.

Для проведения исследований было отобрано 9 образцов трех типов почв (дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы) из 1умусопого горизонта А с глубины 3-20 см. В Московской области - дерново-подзолистая почва в смешанном лесу с преобладанием ели Лялк), пахотная после возделывания ржи (Пд„„) и огородная на приусадебном участке (Плог); а Тульской области - серая лесная в смешанно-широколиственном лесу (СЛлк), пахотная под кормовыми травами (СЛ„„) и темно-серая лесная почва в широколиственном лесу (ТСЛ„); в Воронежской области - чернозем типичный на злаковоразнотравном лугу (Ч™), чернозем обыкновенный распаханный (Чоб) и черноземно-луговая почва на участке, используемом под генокос (lW).

Препараты гуминовых кислот были выделены из семи почв по методике Орлова и Гришиной (1981), которая включает в себя следующие стадии: декальцирование 0.1М H2SO4, экстрагирование ГК 0.1 М NaOH в соотношении почва:раствор 1:6, подкисление полученного щелочного экстракта серной кислотой до рН 2 для осаждения ГК, их последующее центрифугирование для отделения от примесей фульвокислот и очистка от пегкорастворимых солей при помощи диализа. Полученный осадок ГК высушивали при 60°С.

Характеристика почв н препаратов ГК.

Для всех почвенных образцов были определены рН,0Д„, рНсш, гидролитическая кислотность по Каппену, сумма обменных оснований и степень насыщенности почв основаниями по Каппену-Гильковицу, содержание подвижного алюминия по Соколову, содержание свободного кальция методом пламенной фотометрии (Аринушкина, 1970). Общее содержание органического углерода было определено по методу Тюрина, а состав гумуса - с применением пирофосфатной вытяжки по Кононовой и Бельчиковой (Орлов, Гришина, 1981).

Выделенные препараты ГК были охарактеризованы следующими методами: Элементный анализ. Содержание С, Н, N в препаратах ПС определяли с помощью элементного анализатора "Carlo Erba Strumentazione". Для пересчета полученных результатов на безводное беззольное вещество для каждого препарата проводили отдельные определения зольности и влажности. Содержание кислорода рассчитывали по разности. 13С-ЯМР-спектроскопия. Строение углеродного скелета молекул ГК изучали методом 13С-ЯМР-спектроскопии с использованием ЯМР-спектрометра VXR-400 (Vanan). Содержание различных типов углеродных атомов определяли интегрированием соответствующих спектральных обласгей:0-50 м.д. (углерод алкильных групп, Саш ), 50-108 м.д. (углерод карбогидратных структур, спиртов, ацеталей, Сдш-о), 108-165 м.д. (углерод ароматических структур. Саг), 165-185 м.д. (углерод карбоксильных групп, Ссоон)- Суммированием С ait и Сал-о определяли вклад алифатического углерода (Caj) в скелет ПС. Рассчитывая отношение СаДСаис+Саь-о), определяли относительный вклад ароматических фрагментов по сравнению с алифатическими в структуру исследуемых ПС.

Гель-хроматография. Молекулярные массы ГК определяли с помощью гель-хроматографии. Фракционирование проводили на колонке Toyopearl HW-50S. В качестве калибровочных веществ использовали полидекстраны. В качестве элюента применяли 0.028 М фосфатный буфер, концентрация ГК во фракционируемых пробах не превышала 5 мг/л Обратное титрование. Общую кислотность ГК характеризовали баритовым методом. Для определений использовали соотношения реагентхубстрат не ниже 30 ммоль Ва(ОН)2 на 1г ГК.

Гербициды. Исследования проводили с использованием гербицидов трифлуралина и атразина.

Трифлуралин (2,6 - динитро - N,N - дипропил - 4 - трифторметил - анилин) относится к классу замещенных 2,6 - динитроанилинов. Токсическое действие этого гербицида заключается в ингибировании роста корней, а именно, в нарушении процессов деления клеток. Норма расхода в полевых условиях 0.5-2 кг/га по действующему веществу.

Атразин (2 - хлор - 4 - этиламино - 6 - изопропиламино - 1,3,5 - триазин), представитель класса сим-триазинов, является ингибитором процессов фотосинтеза. Норма расхода 1-4 кг/га по действующему веществу ("Список ...", 1994).

Определение в почвах остаточных количеств атразнна и его метаболитов.

Извлечение остаточных количеств атразина производилось согласно ("Методические указания...", 19S3) путем экстракции предварительно увлажненной пробы почвы смесью этилацетата и гексана (1:1). Определение атразина в экстракте осуществляли методом ВЭЖХ с использованием хроматографа HP 1100 (Hewlett Packard, Waldbronn, Германия), снабженного ультрафиолетовым детектором на основе диодной матрицы. Разделение атразина и его метаболитов проводили на колонке Lichrocarb в режиме градиентного элюирования водой и ацетошггрилом. Регистрацию оптической плотности проводили при 220 и 254 нм.

Токсикологический эксперимент на почвах с трнфлуралином.

Тест-объектом служили растения пшеницы Triticum aestivum (сорт "Московская-35"). В качестве тест-отклика использовали длину корней проростков ("Методические указания...", 1988). Гербицид вносили в дозах 1, 2, 4, 8, 12 мг/кг почвы. Почву инкубировали в термостате в течение 48 часов при температуре 25°С. Коэффициент вариации составил в среднем 4.6%.

Лабораторно-вегетацнонный опыт на почвах с атразином.

Тест-объектом служили растения пшеницы Triticum aestivum (сорт "Московская-35"). В качестве тест-отклика использовали наземную воздушно-сухую биомассу. Гербицид вносили в дозах из расчета 1, 2 и 4 кг/га. Продолжительность выращивания растений составляла 30 дней. Коэффициент вариации составил в среднем 5.2%.

Токсикологический эксперимент на препаратах ГК с трнфлуралином.

Биотестирование проводили на проростках пшеницы. В качестве нейтрального субстрата использовали перлит, в который вносили нейтрализованные растворы гуминовых кислот в дозах 10, 25, 50, 100, 200 мг/кг субстрата. Доза трифлуралина составляла 0.5 мг/кг субстрата (при этой дозе наблюдалось 50%-ное снижение отклика биотеста). Коэффициент вариации составил в среднем 6.4%.

Токсикологический эксперимент на препаратах ГК с атразином.

Биотестирование проводили с использованием в качестве тест-объекта культуры зеленой одноклеточной водоросли Chlorella vulgaris (Полынов, 1992). Тест-функцией служила фотосинтетическая активность водоросли (Fy/Fm). Рабочая концентрация гербицида составляла 2.2*10~7М (данная концентрация вызывала 50% снижение отклика биотеста по

сравнению с контрольным опытом), концентрации ПС - от 1 до 10 мг/л. Коэффициент вариации составил в среднем 1.3%.

Повторность во всех проведенных экспериментах - трех-четырехкратная. Количественная оценка детоксицирующей способности почв и препаратов Г К. Детоксицирующую способность (Л) почв по отношению к используемым гербицидам рассчитывали по формуле:

Б = -х*100%, Ко

где & - тест-отклик в присутствии гербицида, Я,, - тест-отклик в контроле. В качестве тест-отклика использовали воздушно-сухую наземную биомассу или длину корней проростков (для соответствующих экспериментов).

Детоксицирующую способность (Б) препаратов ГК по отношению к гербицидам рассчитывали по следующей формуле (Репшпоуа с! а!., 1996):

I Кё / Ко )

где Ко - тест-отклик в контроле; Я, - тест-отклик в присутствии гербицида; Ял - тест-отклик в присутствии ГК; ^«-тест-отклик в присутствии ГК и гербицида.

В качестве тест-отклика использовали длину корней проростков или фотосинтетичсскую активность (для соответствующих экспериментов).

Для характеристики детоксицирующей способности почв при всех дозах внесения гербцида или детоксицирующей способности ГК при всех дозах внесения ГК использовали показатель "суммарная детоксицирующая способность" (Бр). йц рассчитывали как площадь под кривой зависимости О от дозы внесения гербицида (для почв) или дозы внесения ГК при постоянстве концентрации гербицида (для препаратов), отнесенную к площади, соответствующей стопроцентному детоксицирующему эффекту.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Характеристика исследуемых почв и выделенных из них препаратов ГК.

Выбор объектов исследования, т. е. почвенных образцов, производился с учетом влияния двух основополагающих факторов на свойства почв и формирующихся в них ГК: это смена типовой принадлежности почв в соответствии с законом широтной зональности и различный вид их хозяйственного использования. В этом случае представлялось возможным выделить как общие для всего ряда почв и препаратов ГК, так и свойственные каждому конкретному типу почв факторы детоксикации используемых гербицидов.

1.1. Свойства почв

В соответствии с поставленными в настоящей работе целями в исследуемых почвах были определены те показатели химического состояния, от которых в наибольшей степени зависит поведение гербицидов в почве. Такими показателями являются кислотность почвы и насыщенность катионами, содержание органического вещества и его групповой состав. Как видно из табл.1, значения рНВ0ДЯ исследованных почв находились в диапазоне от 4.9 (Пд„ес) до 7.6 (ЧТ1Ш), величина гидролитической кислотности составляла 9.9 мг-экв/100г почвы в Пдл« и 0.8 - в Чтш1 и Чоб. Максимальное содержание обменных оснований наблюдалось в черноземе обыкновенном - 64.6 мг-экв/100г почвы. Содержание кальция составляло 0.1 мг-экв/100г почвы в Пдлес и 30.2 - в ЧгаГ1. Наибольшая степень насыщенности почв основаниями - до 99% - была зафиксирована в черноземных почвах. В дерново-подзолистой почве под лесом наблюдалось высокое содержание подвижного алюминия: -0.4 мг/100г почвы; тогда как в черноземах его обнаружено не было.

Содержание органического углерода (табл.2) в гумусовом горизонте дерново-подзолистой почвы под лесом составило 2.1%, серой лесной под лесом - 2.8%, черноземно-луговой - 6.4%; при этом наблюдалось увеличение доли гуминовых кислот в составе гумуса: 33, 52 и 79% для тех же почв, соответственно. Гуматно-фульватный тип гумуса в дерново-подзолистых почвах сменился на гуматный в черноземах.

Сопоставление свойств почв различного использования позволило отметить следующие тенденции. Так, окультуривание кислых дерново-подзолистых почв способствовало увеличению содержания в них обменных оснований, в том числе, кальция (табл.1); наблюдалось снижение величины гидролитической кислотности и повышение рН. Вышеперечисленные изменения химических свойств в дерново-подзолистых почвах явились следствием внесения органических удобрений и извести, что не могло не сказаться на содержании и качественном составе органического вещества (табл. 2). Содержание органического углерода в окультуренном варианте дерново-подзолистой почвы (Пл„„) оказалось ниже, чем в целинном, но при этом в нем наблюдалась более высокая доля гуминовых кислот. Содержание С„рг в дерново-подзолистой огородной почве оказалось на уровне черноземов (4.8%). Однако органическому веществу данной почвы была присуща наименьшая среди всех исследованных почв степень гумификации - содержание ГК составило 24%.

1.2. Свойства препаратов ГК

Выделенные препараты ГК были охарактеризованы методами элементного анализа, титриметрии и ЯМР-спектроскопии. Как видно из данных по элементному составу (табл. 3),

Таблица 1. Показатели химического состояния исследуемых почв.

Почвы РНвоДН рНсол мг-экв/100 г почвы Степень насыщенности основаниями, % Подвижный алюминий, мг/100 г почвы

Са2+ Гидролитическая кислотность Сумма обменных оснований

Пд и лес 4.9 4.2 0.1 9.9 3.1 23 0.388

Пд пах 7.0 6.8 2.8 1.1 17.4 94 0.002

Пд J.J. or 7.2 6.9 15.9 1.5 34.6 96 0.007

СЛдес 5.8 5.4 3.1 4.4 12.7 74 0.004

CJTnax 5.8 5.0 1.9 3.9 9.3 70 0.005

ТСдес 5.7 5.2 3.3 4.8 13.9 74 0.013

Чгип 7.6 7.2 30.2 0.8 56.7 98 не обн.

Чоб 7.5 7.2 22.2 0.8 64.6 99 не обн.

Члуг 6.2 5.5 15.6 10.8 36.6 77 не обн.

Таблица 2. Показатели гумусного состояния исследуемых почв.

Почвы Сорг> % Срк/Собд , % Сгк/ Сфк

Пд лес 2.1 33 0.5

Пд " пах 1.5 39 0.6

ПД АХ ог 4.8 24 0.3

СЛлес 2.8 52 1.1

СЛпах 1.3 54 1.2

ТСлес 2.7 58 1.4

4™п 4.0 68 2.1

Чой 5.0 63 1.7

ч 6.4 79 3.7

все исследуемые препараты ГК можно подразделить на две группы. В первую из них входят весьма близкие между собой пять препаратов, выделенных из дерново-подзолистых и серых лесных почв, для которых характерны соотношения О/С порядка 0.55-0.61 и Н/С — 1.0-1.1. Вторая группа образуется двумя препаратами ГК, выделенными из черноземов, которые принципиально отличаются от препаратов первой группы гораздо более низкими соотношениями О/С (0.4) н Н/С (0.6-0.7). Уменьшение величин О/С и Н/С в ГК из черноземов свидетельствует о большем вкладе ароматических фрагментов в структуру данных соединений при одновременном снижении доли углеводной периферии.

Исследование препаратов методом 13С-ЯМР-спектроскопии подтвердило указанные тенденции. Так, согласно табл. 4, в ГК черноземов наблюдалось максимальное содержание ароматического углерода (54-55%) по сравнению с ГК дерново-подзолистых и серых лесных (45-47%) почв и минимальное - углерода карбогидратных структур (11%). При этом существенных различий по вкладу ароматических фрагментов в структуру ГК дерново-подзолистых и серых лесных почв обнаружено не было. Определение общей кислотности не выявило существенных различий между препаратами ГК, выделенных из почв различных типов (7.1 - 8.1 мэкв/г).

Исследование молекулярно-массового состава показало (табл. 4), что самые низкие значения молекулярных масс - 15000 г/моль- наблюдались для ГК черноземов, тогда как для ГК дерново-подзолистых и серых лесных почв они достигали 18000 и 24000 г/моль, соответственно. Это позволило предположить, что макромолекулы ГК серых лесных и дерново-подзолистых почв имеют в своем составе менее трансформированные полисахаридные цепочки, тогда как в черноземных ГК, вследствие высокой микробиологической активности среды их формирования, достигается самая высокая степень деградации углеводного комплекса.

2. Детоксицнрующая способность почв н выделенных из них препаратов ГК по отношению к гербицидам

Под используемым в настоящей работе термином "детоксицнрующая способность" в отношении почв понималась их способность снижать токсичность гербицида при действии всех почвенных факторов, препятствуя таким образом угнетению тест-растения. Данный термин можно до некоторой степени считать эквивалентным выражению "устойчивость" почв по отношению к гербицидному загрязнению. В отношении препаратов ГК понималась их способность инактивировать гербицид путем его "связывания" и перевода в нетоксичную форму.

Таблица 3. Элементный состав гуминовых кислот (в пересчете на абсолютно сухое беззольное вещество).

ГК Содержание, ат.% Атомные отношения

С Н N О О/С Н/С С/Ы

ття 11 лес 38.2 37.6 3.3 20.8 0.55 0.99 11.48

пд пах 36.9 38.9 3.1 21.0 0.57 1.05 11.73

ПД0Г 36.3 39.9 2.6 21.1 0.58 1.10 13.54

гл 36.7 38.3 3.2 21.8 0.59 1.04 11.45

СЛ^ах 37.2 37.0 3.1 22.6 0.61 1.00 11.79

и ^тап 48.7 28.5 3.1 19.6 0.40 0.59 11.82

Чл^т 45.9 33.8 3.4 16.8 0.37 0.74 13.52

Примечание. Зольность выделенных препаратов ГК составляла 6 - 13%, содержание гигроскопической влаги - 9 - 11%.

Таблица 4. Распределение углерода (С) в молекулах ГК (по данным 13С-ЯМР-спектроскопии), общая кислотность и молекулярные массы (ММ) ГК.

ГК Доля С в составе фрагментов,% Саг Общая кислотность, мэкв/г ГК ММ, г/моль

Ссоон Слг Сд1к-0 Сд1к Сда+С/ик-о

гтд 11 лес 12 46 16 22 1.24 7.5 17900

ПД АА пах 15 45 18 17 1.28 6.9 25900

ПДог 14 46 15 18 1.38 5.9 24800

СЛдес 12 46 19 18 1.23 8.2 24300

СЛпах 14 47 15 19 1.36 6.3 23700

Чтил 15 54 11 14 2.13 8.5 14900

Члут 14 55 11 15 2.12 7.1 15500

Для постановки токсикологических экспериментов с применением трифлуралина и атразнна были использованы различные тест-объекты, принимая во внимание специфику токсического действия гербицидов. Для регистрации гербицидной активности трифлуралина, иншбирующего рост корней растений, использовали экспресс-тест на проростках пшеницы. Для регистрации гербицидной активности атразина, ингибирующего процессы фотосинтеза, использовали вегетационный опыт (для тестирования почв) и альгологическое биотестирование (для оценки детоксицирующей способности выделенных препаратов ГК).

2.1. Детоксицирующая способность почв и препаратов ГК по отношению к трифлуралину

2.1.1. Почвы

Применение экспресс-теста на проростках пшеницы показало (рис. 1), что для всех типов почв токсичность гербицида была выше на окультуренных вариантах - длина корней составила в среднем 45% от контроля, чем на целинных - 53% от контроля (при коэффициенте вариации 4.6%). Наибольшая токсичность трифлуралина (длина корней проростков составила 38% от контроля) наблюдалась для дерново-подзолистой огородной (П"ог ) и серой лесной пахотной (СЛ„„) почвах. При этом в Плог уже после внесения наименьшей дозы гербицида длина корней резко уменьшалась и с увеличением дозы трифлуралина практически не менялась. Аналогичная зависимость наблюдалась и для темно-серой лесной почвы. Для почв черноземного ряда с увеличением дозы гербицида было отмечено более равномерное снижение величины тест-отклика по сравнению с другими почвами.

Сравнение величины суммарной детоксицирующей способности (8и) исследованных почв (рис.2) не выявило существенной роли типовой принадлежности почв в формировании их дсгтоксицирующего потенциала по отношению к трифлуралину.

Корреляционный анализ блоков данных по детоксицирующей способности почв и их химическим характеристикам (табл.1 и 2) также не показал наличия значимых взаимосвязей.

Таким образом, полученные результаты не позволили получить однозначный вывод о влиянии типа почвы и содержания и состава органического вещества на способность почв детоксицировать трифлуралин. В то же время было отмечено влияние вида использования почв на их детоксицирующую способность по отношению к трифлуралину.

т>,%

Дернов о-подзолисты е

о

Черноземы

12 4 8

Дозатрифлуралина, мг/кг почвы

12

Рис. 1. Зависимость тест-отклика от дозы внесения трифлуралина на

исследуемых почвах, где 0,% - длина корней проростков пшеницы при различных дозах внесения гербицида.

60 50 40 30 20 10 0

I

пах Пд ог

I

СЛлес

^ СЛпах Ц

ТСлес

Чоб

I

Чтип

I

Члуг

1

Рис. 2. Суммарная детоксицирующая способность (Бр) исследуемых почв по отношению к трифлуралину.

2.1.2. Препараты ГК

Токсикологический эксперимент с использованием выделенных препаратов ГК показал (рис. 3), что детокснцирующие свойства большинства ПС (за исключением Пл«с и СЛлсс) проявлялись при их внесении от 10 до 50 мг/кг субстрата. В то же время ГК целинных дерново-подзолистых и серых лесных почв практически не обладали детоксицируюшим действием по отношешпо к трифлуралину во всех исследованных дозах. ГК окультуренных вариантов снижали токсический эффект на 10-15%, тогда как ГК почв черноземного ряда характеризовались наиболее высоким значением О и в дозах 100-200 мг/кг субстрата снижали токсичность гербицида в среднем на 50%.

Сравнение суммарной детоксицирующей способности (Эо) препаратов ГК по отношению к трифлуралину (рис. 4) показало улучшение детоксицирующих свойств ГК при переходе от целинного варианта почвы к окультуренному и от типа дерново-подзолистых почв к черноземам.

Для выявления взаимосвязей между детоксицирующей способностью ГК и их структурными параметрами был проведен корреляционный анализ между блоком структурных данных, приведенных в табл. 3 и 4, и величиной Эо- Полученные результаты позволили установить наличие тесной корреляции (г=0.95, Р-95%) между 8и и обогащенностью молекулы ГК ароматическими фрагментами (зависимость от СЛг/СА1 приведена на рис. 13). Кроме того, наблюдалась значительная отрицательная корреляция (г=-0.85, Р=95%) между 8о и отношением Н/С, что является дополнительным подтверждением важной роли ароматических фрагментов для осуществления химического связывания между молекулой ГК и трифлуралином.

Таким образом, детоксицирующая способность выделенных ГК по отношению к трифлуралину зависела от степени их ароматичности и увеличивалась с ростом этого показателя при переходе от дерново-подзолистых почв к черноземам и от целинного варианта почвы к окультуренному.

Исследуемые почвы и препараты ГК образовали следующие ряды по возрастанию суммарной детоксицирующей способности ($п) по отношению к трифлуралину: почвы: СЛ„„ < Пд„г < СЛлсс < Чт„„ < Пдмх — П ЯСС — Члур

Ш Г1ДЛСС < СЛл„ < Пдш* < Пл„г < СЛ„„ « Чтип Члуг.

Несовпадение приведенных последовательностей явилось подтверждением вывода о том, что в условиях почвеной среды содержание органического вещества и его качественный состав не являются определяющими факторами в процессах детоксикации трифлуралина.

Дерново-подзолистые

Пд лес Пд пах Пд ог

200

80 60 40 20 0 -20

о,%

Серые лесные

СЛлес СЛпах

200

О,%

25 50 100

Доза ГК, мг/кг субстрата

200

Рис. 3. Детоксицирующая способность ГК, выделенных из исследуемых почв, по отношению к трифлуралину в зависимости от дозы внесения ГК (доза трифлуралина — 0.5 мг/кг субстрата).

60 50 40 30 20 10 0

Чпуг

Чтип

СЛпах

Пд лес

Пд пах Дд ог

СЛлес

. «естя .

М

Рис. 4. Суммарная детоксицирующая способность (Эп) препаратов ГК по отношению к трифлуралину.

2.2. Детоксицирующая способность почв и препаратов ГК по отношению к »тразину

2.2.1. Почвы

Результаты лабораторно-вегетационного опыта показали, что для серых лесных почв [за исключением темно-серой лесной) и окультуренных вариантов дерново-подзолистой (рис. 5) биомасса растений снижалась в среднем на 75% уже после внесения наименьшей дозы гербицида. При этом дальнейшее увеличение дозы атразина не приводило к изменению этого показателя. На дерново-подзолистой почве под лесом наблюдался более плавный ход указанной зависимости. Наибольшая устойчивость к токсическому действию атразина наблюдалась на черноземах, а также на темно-серой лесной почве. Внесение 1 кг/га атразина вызывало снижение биомассы на этих почвах в среднем на 30%. При этом по мере дальнейшего увеличения дозы атразина наблюдалось постепенное снижение тест-отклика до уровня 30% от контроля.

Как видно из ряда почв, представленного на рис. 6, самой высокой детоксицирующей способностью характеризовались черноземные почвы. Существенное влияние вида использования наблюдалось в случае дерново-подзолистой огородной почвы, для которой было отмечено значительное снижение детоксицирующей способности по сравнению с целинным вариантом.

Для установления взаимосвязей между способностью почвы снижать токсичность атразина и ее химическими свойствами был проведен корреляционный анализ между приведенными выше результатами лабораторно-вегетационного опыта и характеристиками почв, обобщенными в табл. 1 и 2. В результате удалось установить значимую корреляцию между величиной и следующими показателями: содержанием в почве Сорг (г=0,67. Р=95%); Сп/Собщ (г=0,71, Р-95%); Сг„/Сфк (г=0,80, Р=95%).

Таким образом, в отличие от трифлуралина, детоксицирующая способность исследуемых почв по отношению к атразину определялась прежде всего их типовой принадлежностью и возрастала с ростом содержания в почве органического вещества и гуминовых кислот в его составе.

После завершения лабораторно-вегетационного эксперимента был проведен анализ всех исследованных почв на содержание остаточных количеств атразина и его метаболитов. На рис. 7 приведена хроматограмма модельной смеси атразина и его основных метаболитов. Время удерживания ^я) в выбранных экспериментальных условиях составило 26.311, 23.990,

16.382 и 12.674 минут для атразина, гидрокси-атразина, дезэтил-атразина и дезизопропил-атразина, соответственно. На рис. 8 приведена типичная хроматограмма экстрактов из почв.

100 80 60 40 20 О

. 0,%

Дерново-подзолистые

-лес - пах -ог

0,%

Серые лесные

лес пах ТСлес

0

1 2 Доза атразина, кг/га

Рис. 5. Зависимость тест-отклика от дозы внесения атразина на исследуемых почвах, где 0,% - наземная воздушно-сухая биомасса пшеницы при различных дозах внесения гербицида.

70 60 50 40 30 20 10 0

Члуг

Пд лес

ТСлес

Ш

Чоб Чтип

а пи

П ог

СЛлес

СЛпах

1

Ж

Рис. 6.Суммарная детоксицирующая способность (Эп) исследуемых почв по отношению к атразину.

гооо-

175015001250. 1000750500. 260 О

-Г" 20

т"

25

"Г"

10

ис. 7. ВЭЖХ-хроматограмма калибровочной смеси атразина и его основных метаболитов. 1 - дезизопропил-атразин 0К= 12.674), 2 - дезэтилатразин (1ц= 16.382), 3 - атразин 26.311).

1

5 10 15 20 25 30 _

т.Ягтт

Рис. 8. Типичная хроматограмма почвенного экстракта 26.326 - атразин).

1 которых проводилось биотестирование. Как видно из данной хроматограммы, в почве зеле проведения биотестирования обнаруживались только остаточные количества разина, а его метаболиты практически полностью отсутствовали. Два метаболита -зизопропил-атразин и дезэтил-атразин - были обнаружены только в одном случае - в исотном варианте дерново-подзолистой почвы.

1

2

v

Наибольшее количество атразина (21-35% от внесенного) извлекалось из черноземных почв (рис. 9), наименьшее — из дерново-подзолистой почвы под лесом (12% от внесенного). Из подвергавшихся известкованию окультуренных вариантов дерново-подзолисгой почвы со степенью насыщенности основаниями 95% извлекалось атразина на 7-8% больше, чем из почвы под лесом (степень насыщенности основаниями 23%). Интересно отметить, что степень извлечения остаточных количеств атразина из всех исследованных почв оставалась постоянной вне зависимости от дозы внесения гербицида. Данный факт продемонстрирован рисунком 10, где приведены степени извлечения атразина из трех типов пахотных почв при дозах гербицида 1, 2 и 4 кг/га.

35 г Чоб

Чтил

I 30 £ £ 25

5 к Й § 20

" I

0) _ ч

и Ь

э °

Л

Я г

¡о 5

с -3

15 10

О)

н и

о

тс—-

Пд пах

П] ■

Пд ог

Пд лес

СЛлсс

СЛпах

Чл\ г

Рис. 9. Степень извлечения остаточных количеств атразина из различных почв при дозе внесения 1 кг/га.

50

Е

§ 40

X

0

1 30

н ° 20

й §

£ 10 я

□ Пд пах

□ СЛпах И Чоб

Доза атразина, кг/га

Рис. 10. Степень извлечения остаточных количеств атразина из пахотных вариантов различных почв в зависимости от дозы внесения гербицида.

Сопоставление высокой степени извлечения атразина из черноземов типичного и обыкновенного, а также из темно-серой лесной почвы с наблюдаемой в этих почвах максимальной детоксикацией гербицида может свидетельствовать о переходе атразина в

о

0

[етоксичную форму в результате связывания с органическим веществом почв. По-идимому, образующиеся ассоцнаты настолько прочны, что они не разрушаются при о такте с почвенным раствором, тем самым обусловливая снижение биоусвояемости тразина. Однако при введении органического растворителя происходит разрушение ссоциатов и атразин извлекается в неизмененном состоянии.

2.2.2. Детоксицирующая способность выделенных препаратов ГК по отношению ; атразину

Изучение детоксицирующей способности выделенных препаратов ГК по отношению : атразину проводилось методом альгологического биотестирования. Как вилно из рис. 11, <аксимальная детоксицирующая способность наблюдалась для ПС черноземов: при юнцентрациях ГК 2-3 мг/л токсичность атразина снижалась в среднем на 65-70%. Для ГК :ерых лесных почв показатель О был ниже и составил в среднем 50% Самой низкой [етоксицирующей способностью (8-15%) характеризовались ГК из дерново-подзолистых гоч в.

Сравнение суммарной детоксицирующей способности (Бв) препаратов ГК по ггношению к атразину (рис. 12) показало улучшение детоксицирующих свойств ГК при 1ереходе от дерново-подзолистых почв к черноземам. ГК из окультуренных вариантов характеризовались некоторым снижением Эц по сравнению с ГК целинных почв.

Корреляционный анализ данных по детоксицирующей способности ГК и блока их ггруктурных параметров (табл. 3 и 4) показал, что для атразина, как и для трифлуралина, шюолее тесная зависимость наблюдалась между детоксицирующей способностью ГК и ;оотношением ароматических и алифатических фрагментов в молекуле ГК (г=0.80, Р=95%) рис. 13).

Исследуемые почвы и препараты ГК образовали следующие ряды по возрастанию ;уммарной детоксицирующей способности (Бп) по отношению к атразину:

почвы: Пд„м = Пд„ = СЛ„„ = СЛ.,« < Пялсс < ЧГ11„ < Члуг.

Ш Пл„ < Пд„» ~ Пдлес < СЛ„„ < СЛ;юс < Ч,ип < ЧлуГ.

Сопоставление приведенных последовательностей показало их практически полную щентичность. Данный вывод свидетельствует о том, что гуминовые кислоты играют 1аиболее важную роль в процессах детоксикации атразина в почвенной среде.

Дерново-подзолистые

Концентрация ГК,мг/л

Рис. 11. Детоксицирующая способность ПС, выделенных из исследуемых почв, по отношению к атразину в зависимости от концентрации ПС в тестируемой среде (концентрация атразина — 2.2*10"7 М).

Рис. 12. Суммарная детоксицирующая способность (Бо) препаратов ПС по отношению к атразину.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенного в настоящей работе исследования детоксикации грифлуралина и атразина почвами разных зональных типов и видов хозяйственного «пользования и выделенными из них ГК выявили вклад свойств почв и ГК в формирование тх детоксицирующей способности по отношению к гербицидам различных химических слассов. Роль органического вещества в процессах инактивации трифлуралина и атразина эыла существенно различной. По-видимому, это связано с различным характером взаимодействия органического вещества в целом и, в частности, гуминовых кислот с эассматриваемыми гербицидами. Как видно из рис. 13, на котором представлена 5ависимость детоксицирующей способности ГК по отношению к обоим гербицидам от ;оотношения Сд/Сдь увеличение содержания в молекуле ГК ароматических составляющих приводит к увеличению детоксицирующей способности ГК. При этом детоксицирующие свойства ГК по отношению к атразину более выражены (точки корреляционной зависимости лежат выше), чем к трифлуралину. Наличие такой зависимости может быть обусловлено важной ролью донорно-акцепторных взаимодействий между молекулами ГК и гербицида. Так, в зависимости от химической структуры гербицида, молекула гуминовой кислоты может проявлять как донорные (по отношению к трифлуралину - сильному акцептору), так и акцепторные (по отношению к электроно-донорному атразину) свойства. При этом взаимодействие ГК с атразином будет приводить к образованию более устойчивых комплексов с переносом заряда, поскольку акцепторные свойства ГК выражены сильнее.

60

80,%

° Бот

20

40

50

30

10

О

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

Саг/Са1

Рис. 13. Корреляционная зависимость между детоксицирующей способностью препаратов ГК по отношению к трифлуралину (вот) и атразину (5оЛ) и структурным параметром СдУСм.

чем донорные, за счет обогащенности их молекул хиноно-подобными структурами. Кроме того, существенный вклад во взаимодействие атразина с ГК вносит водородное связывание, что также способствует инактивации гербицида.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно заключить, что детоксицирующая способность почв по отношению к гербицидам класса сим-триазинов (и близким к ним по свойствам гербицидам других классов) будет в основном определяться количественным и качественным составом органического вещества, тогда как роль органической компоненты в снижении токсического эффекта на почвах представителей динитроанилинов не будет столь значительной.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы девять образцов почв различного типа (дерново-подзолистые, серые лесные, черноземы) и вида хозяйственного использования (целина, пашня) и семь выделенных препаратов гуминовых кислот. Анализ структуры гуминовых кислот показал нарастание содержания ароматических фрагментов от дерново-подзолистых почв к черноземам и в окультуренных вариантах почв по сравнению с целинными.

2. Исследование детоксицирующей способности почв показало возрастание показателя О с увеличением содержания гуминовых кислот в составе органического вещества по отношению к атразину, тогда как для трифлуралина аналогичной зависимости не наблюдалось. По возрастанию показателя О почвы образовали следующие ряды: трифлуралин: СЛ„„< ПАвг < ТСлег <4^ < СЛлвс < Ч™ < Пд пах — ПДлес — Члуг,

атразин: Пд„» г: Пд0, г СЛ„„ = СЛлк < Пдлес < Ч™, < Ч* < ТСЛ„ < Ч^.

3. Корреляционный анализ данных по детоксицирующей способности почв и их свойствам показал отсутствие значимой зависимости показателя Б от охарактеризованных почвенных параметров для трифлуралина и выявил важную роль ГК в детоксикации атразина (коэффициент корреляции между показателем детоксицирующей способности и Сгк/Сфк составил 0,80 при Р=95%).

4. Исследование детоксицирующей способности препаратов ПС показало максимальную детоксицирующую способность ГК, выделенных из черноземных почв, по отношению к обоим гербицидам. По возрастанию показателя О препараты ПС образовали следующие ряды:

трифлуралин: Пдм < СЛлес < Пд„ах < Пдог < СЛ„„ « Чшп < Ч^; атразин: Пд г < Пд„„ ~ Пд,,„ < СЛ„„ < СЛлес < Ч1ИП < Ччг.

5. Корреляционный анализ данных по детоксицирующей способности препаратов ГК и их структурным параметрам позволил выявить непосредственную зависимость показателя О препаратов ГК от относительного содержания в молекуле ГК ароматических фрагментов по сравнению с алифатическими (С^См) (г=0,95 для трифлуралина и г=0,80 для атразина при Р-95%).

6. Сопоставление детоксицирующей способности почв и препаратов ГК выявило ведущую роль гуминовых кислот в детоксикации атразина в почве, тогда как в процессах детоксикации трифлуралина содержание органического вещества и его качественный состав не являлись определяющими факторами.

1. Marina A. Anisimova, Galina F. Lebedeva & Irina V. Perminova. Influence of zonal factor and soil agricultural treatment on the properties of humic asids in relation to herbicides. // Abstract book of the 9-th International Colloquium for Optimization of Plant Nutrition, Czech Republic, Praha, September 8-16, 1996, p. 215.

2. M. А. Анисимова. Детоксицирующая способность почв различного генезиса и использования и выделенных из них гуминовых кислот по отношению к гербициду трифлуралину. // Материалы Международной научной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов-97", М., Изд-во МГУ, 1997, р.

3. М. A. Anisimova, I. V. Perminova, G. F. Lebedeva. Detoxifying ability of different soil humic acids in relation to herbicide trifluralin. // Abstract book of the 7-th Annual Meeting of SETAC-Europe, Amsterdam, The Netherlands, April 6-10, 1997, p. 288.

4. I. V. Perminova, N. Yu. Yaschenko, M. A. Anisimova, N. A. Kulikova. Impact of humic substances on the toxicity of xenobiotic organic compounds. // Abstract book of the 1997 ASA, CSSA, SSSA Annual Meeting, Oct. 26-31, 1997, Anaheim, California, p. 197.

5. Marina A. Anisimova, Galina F. Lebedeva & Irina V. Perminova. Influence of zonal factor and soil agricultural treatment on the properties of humic asids in relation to herbicides. // Proc. of the 9-th International Colloquium for Optimization of Plant Nutrition, Czech Republic, Praha, September 8-16, 1996, p. 418-422.

СПИСОК РАБОТ