Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка загрязненных тяжелыми металлами почв Курской агломерации и приемов их селективной фиторемедиации

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка загрязненных тяжелыми металлами почв Курской агломерации и приемов их селективной фиторемедиации"

На правах рукописи

и. ^

НЕВЕДРОВ НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ КУРСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ И ПРИЕМОВ ИХ СЕЛЕКТИВНОЙ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ

Специальность - 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Б НОЯ 2014

Москва - 2014

005554593

005554593

Работа выполнена на кафедре общей биологии и экологии естественно-географического факультета Курского Государственного Университета

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», профессор кафедры общей биологии и

экологии Проценко Елена Петровна

Официальные оппоненты:

Доктор сельскохозяйственных наук, ФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. И.И. Иванова», профессор кафедры

экологии и охраны природы Стифеев Анатолий Иванович

Доктор биологических наук, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет» им. М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник кафедры

физики и мелиорации почв Зубкова Татьяна Александровна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «16» декабря 2014 г. в «15» час. «00» мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете — МСХА имени К.А.Тимирязева, по адресу: 127550, г.Москва, ул. Прянишникова, 15 (тел./факс: 8(499)977-13-38 dissovet@timacad.ru).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в ЦНБ имени Н.И. Железнова ФГБОУ ВПО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева и на сайте университета http://www.timacad.ru.

Автореферат разослан «_» октября 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета

1. Общая характеристика работы Актуальность. Тяжелые металлы (ТМ), в частности цинк, довольно часто являются приоритетными загрязнителями городских почв и почв сельскохозяйственного назначения, прилегающих к городам, насыщенным промышленными комплексами.

Депонируемые в почвах ТМ наносят природе ущерб, последствия которого трудно устранимы (Соколов, Черников, 2008; Мосина и др., 2012). Мероприятия, связанные с очисткой почв от загрязнений тяжелыми металлами, трудоемки и требуют финансовых вложений. Использование физико-химических методов очистки почв, а именно промывки, химического окисления и восстановления, зачастую приводят к накоплению вторичных загрязнителей и требуют манипуляций, связанных с удалением загрязненного почвенного покрова и с последующим сбором отходов на специальных площадках (Huang, 1997).

Более перспективными являются экологически безопасные технологии очистки почвы от тяжелых металлов. Одним из этих методов является фиторемедиация - очищение почвы от тяжелых металлов при помощи специально подобранных растений (Прасад, 2003; Meharg, 2005). Данная технология активно развивается за рубежом, а ее применимость в природно-климатических условиях центрального региона России остается малоизученной (Tsao, 2003; Valdes, 2002). Проблема загрязнения почв цинком и способы устранения данного загрязнения являются актуальными для Курской области.

Цель исследования состоит в изучении фиторемедиационной способности растений горчицы сарептской и ячменя обыкновенного на серых лесных почвах и черноземе типичном и в рассмотрении возможности использования данных растений для очистки загрязненных цинком почв с сопутствующим загрязнением медью в условиях Курской агломерации.

Для реализации поставленной цели в ходе исследования решались следующие задачи по определению, изучению, разработке:

• специального набора растений, которые имеют высокую аккумуляционную способность цинка и являются высокопродуктивными культурами в условиях Курской агломерации;

• результативности применения растений-фиторемедиантов при расчете выноса цинка из модельно загрязненного опытного участка агроценоза;

• фиторемедиационной способности растений-аккумуляторов цинка и других тяжелых металлов в черноземе и серой лесной почве с различными дозами загрязнения;

• специальных приемов, позволяющих оптимизировать мелиоративную функцию фиторемедиантов на фоне базовой схемы опыта;

• особенностей специального агроприема при фиторемедиации почв Курской агломерации, загрязненных цинком и медью.

Научная новнзна. Впервые для почв Курской области изучена способность к ремедиации загрязненных цинком и медью серых лесных и черноземных почв, определен биоаккумуляционный потенциал цинка и других тяжелых металлов для растений горчицы сарептской и ячменя обыкновенного, изучено влияние стимуляторов роста растений на их аккумуляционную способность в отношении к цинку в черноземе типичном и серой лесной почве Курской агломерации. Разработана методика утилизации биомассы растений с высоким содержанием цинка, выращенных на загрязненных этим металлом почвах Курской агломерации. Основные положения, выносимые на защиту

1. При загрязнении цинком серых лесных почв поглощение металла ремедиаторами (горчицей сарептской и ячменем обыкновенным) происходит более активно, чем при выращивании на черноземе типичном, причем более высокой аккумулирующей способностью обладает ячмень.

2. Применение водорастворимых комплексов с микроэлементами увеличивает аккумуляционную способность и биологический вынос растениями по отношению к цинку, что позволяет ускорить в 1,8 - 2,0 раза эффективность очистки почв от загрязнений цинком.

3. При полиэлементном загрязнении почв цинком и медью поглощение растениями этих металлов выше, чем в почвах с монозагрязнителем.

4. Для очистки черноземов и серых лесных почв Курской агломерации от приоритетных промышленных загрязнений (цинка и меди) целесообразно использовать растения-гипераккумуляторы (горчицу сарептскую и ячмень обыкновенный) с последующей их утилизацией в качестве удобрений.

Практическая значимость. На основании проведенных полевых исследований было выявлено, что растения горчицу сарептскую и ячмень обыкновенный перспективно применять для очистки загрязненных цинком и медью серых лесных почв и чернозема типичного в условиях Курской агломерации (почвы городских пустырей, дачных и садово-огородных участков, а также прилегающих почв сельскохозяйственного назначения).

Установлено, что.растения ячменя обыкновенного, используемые при очистке чернозема типичного от загрязнений цинком и удаляемые из почвы во время колошения, способны выносить до 4,46 кг/га цинка. Горчица сарептская, скашиваемая до цветения, при выращивании на загрязненных серых лесных почвах способна удалять до 5,8 кг/га цинка за одну ротацию.

В результате полевых экспериментов по фиторемедиации загрязненных серых лесных почв и чернозема типичного с полиэлиментным загрязнением цинком и медью установлено, что целесообразнее использовать горчицу, так как она обладает большим биологическим выносом данных металлов.

Личный вклад автора. Диссертантом предложен способ биологической очистки загрязненных цинком почв Курской агломерации, выполнены все экспериментальные исследования (лабораторные и полевые), проведены необходимые расчеты и обработка результатов,

з

проанализированы результаты исследований, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, выводы и практические рекомендации.

Апробация работы. Результаты научных изысканий докладывались на международной научно-практической конференции «Современная биология: вопросы и ответы» (Санкт-Петербург-Петрозаводск, 2012), международной научно-практической конференции «Проблемы современной биологии» (Москва, 2012), международной научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты естественных и математических наук» (Новосибирск, 2012), всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии почвоведения и земледелия» (Курск, 2012), международной научно-практической конференции «Ломоносов - 2013» (Москва, 2013), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2013), международной научно-практической конференции «Проблемы охраны окружающей среды на территории Курской области» (Курск, 2012), на международном экологическом конгрессе ЕЬРГГ «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно транспортных комплексов» (Тольятти, 2013), международной научно-практической конференции «Актуальш проблеми наук про життя та природокористування» (Киев, 2013), международной научно-практической конференции «Бъдещите изследвания» (София, 2014), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы общества, науки и образования: современное состояние и перспективы развития» (Курск, 2014), международной научно-практической конференции «Ломоносов -2014» (Москва, 2014). Основные результаты и положения работы опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ: «Проблемы региональной экологии», «Известия Самарского научного центра РАН», «Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета». Инициативный научный проект «Разработка модели биологической очистки почв» стал победителем молодежного инновационного конкурса Фонда содействия развитию малых

4

форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК-2014», а также вошел в число финалистов выставки научных проектов «Новое качество жизни», проходившей в рамках «Среднерусского экономического форума» (Курск, 2014).

Структура и объем работы. Работа изложена на 130 страницах основного текста и 16 страницах приложения, состоит из четырех глав, содержит 31 таблицу и 24 рисунка, список литературы включает 168 наименований, из них 47 зарубежных источников.

2. Содержание и основные результат!.! работы Глава I. Цинк в системе «почва - растение» и особенности фиторемедиации как метода очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы)

В первой главе диссертации на основании анализа источников литературы рассмотрена динамика тяжелых металлов (цинк, медь, свинец, кадмий) в системе «почва-растение». Дана оценка степени загрязнения почв Курской области тяжелыми металлами и описаны источники их поступления в почвы. Представлены различные группы растений-гипераккумуляторов тяжелых металлов. Оценены преимущества метода фиторемедиации по сравнению с другими существующими методами очистки почв от загрязнений ТМ, приведены критерии подбора растений-фигоремедиаторов.

Глава II. Объекты и методы исследования (экспериментальная часть)

Объектами исследований являлись серые лесные почвы (Агробиостанция КГУ) и чернозем типичный (п. Духовец Курского района), а также растения горчица сарептская сорта «Славянка» и ячмень обыкновенный сорта «Гонар».

В лабораторных экспериментах использовался метод вегетационных сосудов, в полевых - мелкоделяночный опыт. Все лабораторные

исследования и обработка результатов полевых опытов проводились на базе НИЛ «Мониторинг объектов окружающей среды» Курского госуниверситета.

Измерение содержания ТМ в почвенных образцах, а также в побегах и корнях растений проводилось на базе аккредитованного «Испытательного центра Курского государственного университета» методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе ТА-4. Пробоподготовка и анализ проб выполнены в соответствии с методиками МУ 31-04/04 (Методика выполнения измерений... 2004) и МУ 31-11/05 (Методика выполнения измерений... 2005). Подвижные формы тяжелых металлов извлекались ацетатно-аммонийным буфером.

Для агрохимической характеристики почвы из горизонта А(пах) отбиралась средняя проба. В почвенных образцах определяли: рН - в 1,0 н Ко вытяжке (ГОСТ 26483-85); рН - в Н20 вытяжке (ГОСТ...); гумус - по Тюрину (ГОСТ 26213-91); азот щелочногидролизуемый - методом мокрого озоления по Корнфияду; фосфор и калий подвижный - по Чирикову (ГОСТ 262120-91).

В опытах с использованием комплексов микроэлементов, препараты вносились следующим образом. Семена горчицы сарептской перед посевом замачивались в 0,5 % растворе водорастворимого комплекса микроэлементов в хелатной форме (Mo и В - в неорганической) "Аквамикс". Производителем «Аквамикс» является Буйский химический завод. Состав (%): Fel,74 (ДТПА), Fe 2,1 (ЭДТА) Мп2,57 (ЭДТА), Zn0,53 (ЭДТА), Си0,53 (ЭДТА), Са2,57 (ЭДТА), ВО,52, Мо0,13.

Проводилась некорневая обработка растений (один раз в неделю; всего две обработки) следующими растворами:

• 1 % раствором водорастворимого минерального комплекса «Акварин-4» Буйского химического завода (состав (%): N6, Р12, КЗЗ, Fe0,54 (ДТПА), Мп0,042 (ЭДТА), Zn0,0I4 (ЭДТА), CuO.Ol (ЭДТА), Са2,57 (ЭДТА), ВО,02, Мо0,004);

• раствором органоминерального комплекса «Биогумус» торговой марки «Сила жизни» (в 1г/дмЗ содержится %: гуматы калия - 12, N20, Р10, К15, S0,1, Mg0,12, Cu0,12, Zn0,07, Mn0,l, Fe0,05, ВО,05, Mo0,005, Co0,002, аскорбиновая кислота, витамины - B1, ВЗ, В12);

• раствором стимулятора роста растений на основе гуминовых кислот «Гумат+7йод» фирмы «Август», который представляет собой вытяжку гуминовых кислот бурых углей, являющуюся стимулятором роста цветов, садовых и овощных растений (состав (%): гуминовые кислоты - 37, N1,5, К5, Mg0,12, Cu0,2, Zn0,02, Mn0,17, Fe0,4, ВО,2, Mo0,018, Co0,02,10,005).

Глава III. Фитоэкстракция цинка горчицей сарептской и ячменем обыкновенным из загрязненных тяжелыми металлами почв Курской

агломерации

Агрохимические свойства изучаемых серой лесной почвы и чернозема типичного представлены в таблице 1.

Таблица 1. Агрохимические свойства исследуемых почв Курской агломерации

№ п/ п Тип почвы Глуби -на отбора рНка рНн20 Гумус(по Тюрину) % Мш, (по Корнфил-ду) мг/100 г Подвижные (по Чиркову) мг/100 г. Фоновое содержание Zn, ф в

р2о5 к2о почве мг/кг

1 Серая лесная 0-20 см 5,3 6,1 4,21 18,4 17,8 19,7 13,0

2 Чернозем типичный 0-20 см 6,0 6,9 5,94 19,6 24,8 20,0 29,0

нср05 0,2 0,3 0,09 0,2 1,0 1,1 0,9

Данные по содержанию цинка в корнях и побегах горчицы сарептской и ячменя обыкновенного, выращенных в ходе лабораторного опыта 1

(Таблица 2), свидетельствуют о том, что при развитии в серой лесной почве горчица сарептская является гипераккумулятором цинка.

Таблица 2. Зависимость содержания цинка в сухой массе корней и побегов горчицы сарептской и ячменя обыкновенного от загрязнения почвы

(лабораторный опыт 1)

Содержание цинка в органах растений, мг/кг

О ш Серая лесная почва Чернозем типичный

" ? 5 и О . у Я С а В N с; о >-. о О са Горчица сарептская Ячмень обыкновенный Горчица сарептская Ячмень обыкновенный

^ а о с Побеги Корни ТФ Побеги Корни ТФ Побеги Корни ТФ Побеги Корни ТФ

Фон 7!.4±0.7 31,3±0.7 2,3 28.4±0.7 77,4±0,9 0,4 3.4±0.4 15,0±0,2 0,2 22.4±0.7 43,1±0,6 0,5

110 115.2±0.4 231,4±0,5 0,5 30,0±0,5 68,4±0,2 0,4 53.0±0.1 20,2±0,5 2,6 36.2±0.3 62,1 ±0,1 0,6

220 174.1 ±0,5 393,3±0,7 0,4 40.3±0.4 240,4±0,7 0,2 7.4±0.2 23,7±0,8 0,3 43.5±0,3 54,0±0,6 0,8

1100 1741.0±2.8 1876,0±3,4 0,9 199.1 ±0.6 1447,0±3.5 0,1 439.3±0.8 460,7±0,8 0,9 74.2±0,5 133,3±0,5 0,5

НСР05 2Л 8.8 0,08 4,6 5,8 0,03 12 2.2 0,14 18 2,3 0,05

Побеги горчицы сарептской в различных по степени загрязнения

образцах почвы накапливают металл неодинаково: в образцах с дозой загрязнения 110 и 220 мг/кг они выступают как растения-индикаторы, набирая цинк в количестве, примерно равном количеству в почве, а в образце, содержащем 1100 мг/кг цинка, - как гипераккумуляторы, накапливая в шесть раз больше цинка на единицу сухой массы.

В образцах чернозема типичного особенности аккумуляции цинка

горчицей сарептской отличаются от таковых в серой лесной почве, что,

вероятно, связано с разной подвижностью цинка. При относительно

невысоких дозах загрязнения почвы цинком (110-220 мг/кг) и на контроле

(чернозем с фоновым содержанием металла) растения накапливали от 3,5 до

62 мг/кг сухой массы. При увеличении загрязнения до 1100 мг/кг содержание

цинка в корнях и побегах достигло 460 мг/кг. Сравнительный анализ

отношения накопления цинка в корнях горчицы сарептской к накоплению

8

его в побегах показал, что корневая система аккумулирует большую часть массы тяжелого металла как на серых лесных почвах, так и на черноземах. У ячменя на обоих типах почв также отмечался ■ акропетальный характер накопления цинка.

Интенсивность транспорта цинка из корневой части растений горчицы в надземные органы снижается с ростом содержания металла в почве от фона до 220 мг/кг, но при концентрации внесенного в почву цинка, равной 1100 мг/кг, транслокационный фактор горчицы резко возрастает. Для культуры ячменя закономерность несколько другая: сначала при увеличении содержания цинка в почвах интенсивность переноса металла в побеги растет, а затем заметно снижается при достижении пороговой концентрации металла в почве. В серой лесной почве пороговая концентрация равна 220 мг/кг, а в черноземе типичном — 1100 мг/кг.

Необходимо отметить, что аккумулирующая способность горчицы сарептской выше в серой лесной почве, что, видимо, связано с более высоким содержанием водорастворимой и подвижной форм цинка по сравнению с черноземом. В отличие от горчицы сарептской аккумулирующая способность ячменя обыкновенного, выращенного на образцах двух типов почв, не имеет таких значительных отличий, исключение составляет вариант опыта с высокой дозой содержания цинка в почве (1100 мг/кг).

Результаты проведенного полевого опыта 1 (Таблица 3) также показали, что на серой лесной почве изучаемые нами виды растений накапливают значительно большее количество цинка, чем при выращивании их на черноземе.

Необходимо отметить, что между уровнем загрязнения серой лесной почвы и содержанием металла в растениях наблюдалась прямолинейная зависимость: при увеличении загрязнения наблюдалось возрастание содержания металла как в корнях, так и в побегах растений.

Таблица 3. Зависимость содержания цинка в сухой массе корней и побегов горчицы сарептской и ячменя обыкновенного от загрязнения почвы

(полевой опыт 1)

Количество внесенного в почву цинка, мг/кг Содержание цинка в органах растений, мг/кг

Серая лесная почва Чернозем типичный

Горчица сарептская Ячмень обыкновенный Горчица сарептская Ячмень обыкновенный

Побеги Корни ТФ Побеги Корни ТФ Побеги Корни ТФ Побеги Корни ТФ

Фон 37.2±0,4 54,3±0,7 0,7 49,3±0.6 24,3±0,7 2,0 31.0±0,5 31,1±0,3 1,0 10,4±0,6 13,1±0,6 0,8

110 46.2±0.4 86,1±0,6 0,5 161.3±0.6 129,4±0,6 1,2 46,3±0.3 23,4±0,1 2,0 31,0±0,1 40,5±0,3 0,8

220 120.9±0.7 219,6±0,7 0,5 135,4±0.7 241,4±0,9 0,6 40.6±0,1 52,6±0,4 0,8 63,4±0,4 58,3±0,3 1,1

1 100 360,3±0,5 399,4±0,4 0,9 326,3±0.6 429,4±0,6 0,8 76,4±0,7 120,0±0,4 0,6 121,1 ±0,4 390,2±0,3 0,3

НСР05 2Л 2,2 0,01 12 2,3 0,06 Ы 1,1 0,06 и 1,6 0,11

Транспорт цинка из корней в побеги растений горчицы и ячменя,

выращенных в серой лесной почве, убывает с ростом концентрации металла в почве от фона до 220 мг/кг. Однако при увеличении количества внесенного в почву цинка от 220 до 1 100 мг/кг транспорт возрастает на 44,4 % у горчицы и на 25 % у ячменя. В черноземе у обоих растений наблюдались пороги токсичности исследуемого тяжелого металла. У горчицы сарептской при дозе загрязнения почвы цинком, равной 220 мг/кг, интенсивность переноса в побеги сокращается, и металл в большей степени начинает концентрироваться в корнях растений. У ячменя аналогичные изменения в динамике переноса цинка отмечались при дозе загрязнения, равной 1100 мг/кг.

Анализ биоконцентрационного фактора (БКФ - отношение содержания металла в растении к содержанию его подвижной формы в почве) показал, что в серой лесной почве как для горчицы сарептской, так и для ячменя обыкновенного он выше, чем в черноземе (1,42 и 0,60 для горчицы; 1,29 и 0,93 для ячменя) при дозе загрязнения почвы цинком 1100 мг/кг, что также

подтверждает более высокую способность к депонированию цинка в серой лесной почве.

Важнейшим критерием при подборе растений-фиторемедиаторов является биологический вынос (БВ) загрязнителя из почвы надземной биомассой (таблица 4).

Таблица 4. Биологический вынос цинка растениями в зависимости от типа почвы и дозы ее загрязнения (полевой эксперимент 1)

Количество внесенного в почву цинка, мг/кг Биологический вынос, кг/га

Серая лесная почва Чернозем типичный

Горчица сарептская Ячмень обыкновенный Горчица сарептская Ячмень обыкновенный

Фон 0,36±0,01 0,39±0,02 0,70±0,01 0,55±0,03

110 0,80±0,02 1,02±0,03 0,69±0,02 1,13±0,01

220 2,19*0,02 2,45±0,05 0,66±0,03 1,58±0,03

1 100 3,15±0,03 2,12±0,02 0,45±0,03 4,46±0,05

НСР05 0,08 0,05 0,02 0,09

Биологический вынос цинка горчицей сарептской во всех вариантах опыта, кроме контроля (таблица 4), значительно выше при выращивании ее на серой лесной почве, что связано с более интенсивным накоплением металла в побегах растения. Следует отметить, что в отличие от серой лесной почвы на черноземе типичном у горчицы сарептской биологический вынос уменьшается при увеличении содержания цинка в почве, что связано с деградацией биомассы.

Показатели биологического выноса культурой ячменя значительно отличаются от выноса горчицей сарептской. Биологический вынос цинка ячменем, выращенным на черноземе, в целом выше, чем при выращивании его на серой лесной почве, что объясняется более высокой устойчивостью и урожайностью ячменя, полученного на черноземе типичном (Таблица 4).

Заметим, что при загрязнении чернозема типичного и серой лесной почвы низкими дозами цинка содержание металла в плодах не превышает ПДК для зерна (Рисунок 1).

140 - 134

PQ ' —*— ПДКвзерне

100

80

60 *Ю 43 *-

-Чернозем тшшчнып

40 ----" НСР05=0,28

—¡Я Серая лесная

почва

110 210 1 100 НСР05=>,58

Количество впесеппого пипка в почву, мг/кг

Рисунок i. Содержание цинка в зерне ячменя в зависимости от дозы загрязнения почв.

С целыо повышения аккумуляционной способности горчицы сарептской нами использовались комплексы с микроэлементами, которые способствуют росту растений и накоплению биомассы, а также стимулируют выделение корневыми системами кислот, переводящих тяжелые металлы в почвенный раствор (А.Ф. Титов, 2007).

При анализе полученных данных выяснили, что при раздельном внесении комплексов с микроэлементами наблюдалось значительное увеличение биомассы горчицы сарептской, при комбинированном внесении препаратов (замачивание семян в растворе «Аквамикса» совместно с некорневой обработкой растворами «Акварина», «Биогумуса» и «Гумат + 7йод») прирост биомассы незначителен или совсем не наблюдается. Наиболее высокие показатели отмечены при некорневой обработке горчицы сарептской минеральным комплексом «Акварин-4»: средняя биомасса достигает 39,8 граммов, что приблизительно в два раза выше, чем на контроле.

Следует отметить, что при применении одного приема (замачивание семян или некорневая обработка) длина проростка увеличивается значительнее, чем при совместном внесении изученных стимуляторов и комплексов. Наибольшая длина проростков наблюдалась в варианте 5 опыта.

Из этого следует, что «Аквамикс» является наиболее эффективным

12

стимулятором роста по сравнению с другими изучаемыми комплексами с микроэлементами.

Статистическая обработка полученных данных показала, что биомасса и длина проростка горчицы сарептской тесно коррелируют, полученный коэффициент корреляции равен 0,87.

При внесении стимуляторов роста «Биогумус» и «Гумат + 7 йод», а также при совместном использовании комплексов «Акварин» + «Аквамикс» и «Биогумус» + «Аквамикс» содержание цинка в корнях горчицы сарептской увеличивается по сравнению с контролем.

Биологический вынос цинка побегами горчицы сарептской из пахотного слоя (глубина пахотного слоя условно принята 0-20 см) загрязненной почвы представлен в таблице 5.

Таблица 5. Вынос цинка побегами горчицы сарептской в кг/га в

условиях загрязнения

Загрязнение почвы № варианта опыта Применяемый стимулятор Биологический вынос 2п, кг/га

Без загрязнения, фоновое содержание 13 мг/кг 0 Контроль 0,43±0,01

Степень загрязнения почвы цинком 10 ОДК 1 Контроль(без удобрения) 9,0±0,08

2 «Аквамикс» 18,0±0,11

3 «Акварин-4» 10,4±0,06

4 «Биогумус» 10,8±0,05

5 «Гумат+7+йод» 13,6±0,08

6 «Акварин-4»+ «Аквамикс» 14,2±0,11

7 «Биогумус»+ «Аквамикс» 5,4±0,05

8 «Гумат+7+йод» + «Аквамикс» 6,4±0,06

НСР05 0,23

Данные таблицы показывают, что при применении раздельных приемов

фитоэкстракционная способность горчицы сарептской возрастает. Пересчет выноса цинка на 1 гектар площади показал, что самый высокий результат (18 кг/га), который в два раза превосходит контроль, зафиксирован в варианте опыта с применением «Аквамикс». При комбинированном внесении

стимуляторов фитоэкстракции не наблюдается, за исключением варианта «Аквамикс» + «Акварин» - 14,2 кг/га.

При проведении полевого эксперимента с использованием «Аквамикс» в качестве эффектора фитоэкстракции нами были получены следующие результаты: биомасса растений значительно выше, если проводить предпосевное замачивание семян в 0,5 % растворе «Аквамикс». Данное явление отмечено во всех вариантах эксперимента при различных дозах загрязнения как на серой лесной почве, так и на черноземе типичном.

Использование предпосевной обработки семян значительно увеличивает аккумулирующую способность горчицы сарептской в отношении к цинку при выращивании ее на черноземе.

Содержание цинка в корнях и побегах горчицы сарептской при использовании «Аквамикс» в 2-4 раза выше, чем при выращивании растений без предпосевной обработки. На серой лесной почве явное преобладание накопления цинка у растений, обработанных микроудобрением «Аквамикс», отмечено лишь при дозе загрязнения 1 100 мг/кг, при более низких концентрациях цинка в почве внесение удобрения с микроэлементами влияет на аккумулирующую способность горчицы сарептской не так существенно.

Урожайность растений и аккумуляция цинка, формирующая биологический вынос металла растением из почвы, возрастает при использовании «Аквамикс» и соответственно увеличивает и вынос металла как на черноземе, так и на серой лесной почве (Рисунок 2).

В варианте опыта с дозой загрязнения чернозема типичного 220 мг/кг при обработке семян вынос металла в 4,7 раза выше, чем без участия «Аквамикс». Во всех остальных вариантах опыта биологический вынос так же в среднем в 2-3 раза выше в сравнении с вариантами без применения «Аквамикс». Максимальный вынос цинка зафиксирован в варианте эксперимента с дозой 1 100 мг/кг цинка в серой лесной почве - 5,79 кг/га (Рисунок 2).

£ У 7 ♦ Чернозем тшшчный С

6 "Аквамикс"

= НСР05=0.10

я 8 з

р ".Аквамикс" НСР05=0.02

г -> .1—_ Серая лесная почва С

5 1 _ "Аквамикс"

0 Фон 110 220 Доза загрязнения почвы. ОДК 2 -Серая лесная почва Без "Аквамикс" НСР05=0.08

Рисунок 2. Зависимость биологического выноса цинка побегами горчицы

сарептской от дозы загрязнения почвы и применения предпосевной обработки семян микроудобрением «Аквамикс».

Глава IV. Фиторемедиационная способность горчицы сарептской и ячменя обыкновенного по отношению к меди, свинцу и кадмию

Динамику аккумулирующей способности горчицы сарептской по отношению к цинку и меди при полиэлементном загрязнении отражают данные, изложенные в таблице 6. Стоит заметить, что содержание ТМ в побегах и корнях горчицы при полиэлементном загрязнении достоверно выше, чем при моноэлементном (Р=0.05).

Таблица 6. Зависимость содержания цинка и меди в органах растения от степени загрязнения почвы при полиэлементном загрязнении, изменение

транслокационного фактора (ТФ) растений

Растение ТМ Орган Доза загрязнения почв. ОДК НСР„5

растения Фон 1 ОДК 2 ОДК

Горчица Побеги 4,7±0,05 47.5±0,1 20.3±0.2 0.81

сарептская Си Корни 6,2±0,05 34,2±0,4 53,4±0,4 0,87

ТФ 0,8 1,4 0,4 0,04

Побеги 31,4±0.21 120,6±0,6 87,4±0,3 0,36

Ъп Корни 31,3±0,08 63,6±0,3 135,3±0,4 0,83

ТФ 1,0 1,9 0,6 0,01

Ячмень Побеги 2.7±0.05 7.9±0.1 6_5±0.08 1.22

обыкновенный Си Корни 4.1 ±0.03 12,3±0,2 9,4±0,1 0,91

ТФ 0,6 0,6 0,7 0,08

Побеги 10,0±0,17 66,3±0,2 46.2±0,4 1,28

1п Корни 13,5±0,21 89,6±0,1 67,1 ±0,4 1,14

ТФ 0,8 0,7 0,7 0,05

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 I 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 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 полизагрязнениями ТМ, имеют 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 раза 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, -наблюдалась в варианте опыта при одновременном загрязнении цинком и медью дозами 10 ОДК. В этом же варианте опыта отмечена наивысшая

16

концентрация Си в побегах ячменя обыкновенного - 7,9 мг/кг, что в 2,9 раза выше, чем на контроле.

При увеличении концентрации ТМ в почве от 1 ОДК до 2 ОДК у горчицы сарептской наблюдается снижение миграции ТМ из корней в побеги. Содержание и меди, и цинка в корнях растений заметно выше, чем в побегах (см. таблицу 2). По-видимому, концентрации загрязнителей, при которых происходит торможение их транспорта в побеги растений, являются порогами токсичности для изучаемых растений. Данный эффект обусловлен активацией физиологических барьеров, находящихся на границе «корень-побег» (Квеситадзе, 2005). У растений ячменя скорость транспорта цинка и меди остается неизменной при росте концентраций металлов в почве от фона до 2 ОДК.

Рисунок 3. Модели расчета концентраций цинка и меди в корнях горчицы сарептской.

В результате статистической обработки экспериментальных данных мы получили модели расчета концентрации цинка и меди в корнях горчицы сарептской, которые описываются следующими уравнениями (Рисунок 3). С увеличением концентраций цинка и меди в почве до 2 ОДК, отмечался рост содержания этих металлов в корнях горчицы сарептской.

Выводы:

1. В условиях загрязнения почв цинком его содержание в растениях горчицы сарептской и ячменя обыкновенного, выращенных на черноземе типичном, в 3,2 - 5,1 ниже, чем при выращивании растений на серой лесной почве, что связано с меньшим содержанием подвижной формы цинка в черноземе типичном, поэтому при применении фиторемедиаторов для очистки почв Курского региона необходимо учитывать типовую принадлежность почв и их обеспеченность микроэлементами.

2. При выращивании на загрязненной цинком серой лесной почве (I 100 мг/кг) горчицы сарептской установлено, что максимальное содержание в надземной части растения составляло 360,3±0,5 мг/кг, а у ячменя при таком же уровне загрязнения - 326,3±0,6 мг/кг, в то время как на черноземе типичном - 76,4±0,7 и 121,1±0,4 мг/кг соответственно.

3. Установлено, что ремедиационная способность ячменя в связи с его более высокой продуктивностью достоверно выше, чем у классического фиторемедиатора - горчицы сарептской: биологический вынос цинка на черноземе типичном ячменем достигает 4,4 кг/га, а горчицей — 0,7 кг/га, в то время как в серой лесной почве не наблюдалось столь существенной разницы выноса между изучаемыми растениями.

4. Для растений ячменя характерно снижение миграции цинка от корневой системы к плоду (зерновке); при дозах загрязнения почв 110 и 220 мг/кг содержание цинка в плодах не превышает ПДК для зерна.

5. Раздельное применение замачивания семян стимулятором фитоэкстракции «Аквамикс» и некорневого опрыскивания препаратами «Акварин-4», «Биогумус» и «Гумат + 7 йод» способствовали росту побегов в длину, увеличивали биомассу и стимулировали фитоэкстракцию цинка горчицей сарептской, тем самым повышая биологический вынос цинка побегами растений в 1,1—2,0 раза.

6. Использование «Аквамикс» являлось наиболее эффективным приемом, повышающим ремедиационную способность горчицы сарептской по

18

отношению к цинку: содержание цинка в корнях горчицы достигало 575,4±0,6 мг/кг, в побегах - 527,2±0,6 мг/кг, при этом биологический вынос цинка растениями составлял 18,0±0,3 кг/га в лабораторном эксперименте и 5,8±0,1 кг/га - в полевом, что в 2 и 1,8 раза выше, чем без стимуляции.

7. При одновременном загрязнении чернозема типичного цинком и медью происходило увеличение их содержания в органах ячменя обыкновенного на 53% и 9 % соответственно, а горчицы сарептской - на 50% и 65 % по сравнению с выращиванием на почвах, загрязненных одним металлом.

8. Установлено, что наибольший вынос тяжелых металлов горчицей сарептской наблюдался на первых этапах вегетации (до цветения), у ячменя отмечалось наибольшее накопление металлов в период колошения.

9. Для утилизации биомассы загрязненных цинком растений целесообразно использовать обедненные элементом почвы Курской области.

Предложение производству Фиторемедиацию как метод очистки можно использовать для загрязненных ТМ городских почв и почв сельскохозяйственного назначения. При применении ячменя в качестве фиторемедиатора целесообразно доводить культуру до восковой спелости зерна, при использовании горчицы сарептской целесообразно скашивать ее, не доводя до цветения, с многократным посевом культуры в течение вегетационного периода. Получаемую биомассу с высоким содержанием цинка рекомендуется применять как удобрения для почв, испытывающих дефицит металла.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ: 1. Проценко, Е.П. Способность к фитоэкстракции цинка горчицей сарептской Brassica juncea (L.) при разных уровнях загрязнения черноземной и серой лесной почвы [Электронный ресурс] / Е.П. Проценко, Н.П. Неведров // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского

государственного университета. - 2013. - №1 (25). - 5 с. - Режим доступа: http:-7www.scientific-notes.nj/pdf/029-03S.pdf.

2. Неведров, Н.П. Регулирование ремедиационной способности горчицы сарептской Brassica juncea (L.) в отношении к цинку [Электронный ресурс] / Н.П. Неведров, Е.П. Проценко, П.Л. Медянцев, A.B. Пученкова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, №3. с. 108-111. - Режим доступа: http: .4vww.ssc.snir.ru/mcdia'joumals/izvestia/2013/2013 3 108 11 l.pdf.

3. Неведров, Н.П. Фитоэкстракция цинка растительностью урбоэкотопов города Курска в сравнении с культурными растениями [Электронный ресурс] / Н.П. Неведров, Е.П. Проценко // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. - 2013. - №4. - Режим доступа: http:/4v ww.scientific-notes.ru/pdf/033-005.pdf.

4. Неведров, Н.П. Использование горчицы сарептской Brassica juncea (L) в целях очистки почв Курской области от загрязнений тяжелыми металлами [Электронный ресурс] / Н.П. Неведров, Е.Г1. Проценко, И.П. Балабина, A.B. Прусаченко // Проблемы региональной экологии. - 2013. - №6. - с. 133137. - Режим доступа: http://www.ecoregion.ru/annot/pre-N6-2013.pdf

Статьи и тезисы в других изданиях:

5. Неведров, Н.П. Влияние возрастающих концентраций цинка на интенсивность прорастания горчицы сарептской / Н.П. Неведров, С.А. Анненков // Современная биология: вопросы и ответы. Материалы II международной научно-практической конференции 20-21 января 2012 года, г. Санкт-Петербург. - Петрозаводск : ПетроПресс, 2012.-е. 170-174.

6. Неведров, Н.П. Влияние удобрений на биомассу и длину проростка горчицы сарептской Brassica juncea (L.) при выращивании её на загрязненной цинком почве / Н.П. Неведров // Проблемы современной биологии: Материалы V международной научно-практической конференции (20.07.2012). - М. : изд-во «Спутник+», 2012. - с. 45-48.

20

7. Неведров, Н.П. Использование ячменя обыкновенного Hordeum vulgre (L.) в целях фиторемедиации / Н.П. Неведров, Е.П. Проценко, А.Е. Кузнецов // Теоретические и практические аспекты естественных и математических наук: материалы международной заочной научно-практической конференции (24 декабря 2012 г.) - Новосибирск : изд-во «СибАК», 2012.-е. 115-120.

8. Кузнецов, А.Е. Использование метода биотестирования при оценки токсичности почв и отходов / А.Е. Кузнецов, Н.П. Неведров, Е.П. Проценко, H.A. Клеева // Актуальные проблемы экологии почвоведения и земледелия. -Курск : ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2012. - с.63-65. '

9. Неведров, Н.П. Фиторемедиация загрязненных цинком серых лесных и черноземных почв Курской области / Н.П. Неведров // Ломоносов 2013: XX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Почвоведение»; 8-12 апреля 2013 г., Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова. -М.: МАКС Пресс, 2013.-е. 132-133.

10. Неведров, Н.П. Аккумулирующая способность горчицы сарептской Brassica Juncea (L.) в отношении к тяжелым металлам / Н.П. Неведров // Актуальные проблемы экологии и охраны труда: сборник статей V Международной научно-практической конференции; Юго-Зап. гос. ун-т. -Курск, 2013.-е. 102-107.

11. Кузнецов, А.Е. Состав микробного сообщества почвенного компоста на основе отходов сахарного производства / А.Е. Кузнецов, Н.П. Неведров, Е.П. Проценко // Актуальные проблемы экологии и охраны труда: сборник статей V Международной научно-практической конференции; Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2013.-е. 67-72.

12. Кузнецов, А.Е. Особенности получения и применения компостов для мелиорации почв и повышения урожайности сельскохозяйственных культур / А.Е. Кузнецов, Н.П. Неведров, Е.П. Проценко, H.A. Клеева // Актуальные проблемы экологии и охраны труда: сборник статей V Международной научно-практической конференции; Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2013. - с. 72-76.

13. Неведров, Н.П. Очистка загрязненных цинком почв методом фиторемедиации / Н.П. Неведров, Е.П. Проценко // Проблемы охраны окружающей среды на территории Курской области / сборник материалов научно-студенческой экологической конференции с международным участием ОБОУ СПО «Курский монтажный техникум», 27 марта, 2013 г. — Курск, 2013,- с. 23-28

14. Неведров, Н.П. Аккумуляция тяжелых металлов растительностью урбоэкотопов г. Курска / Н.П. Неведров, Е.П. Проценко, JI.A. Арепьева, A.B. Пученкова // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно транспортных комплексов / сб. материалов IV Международного экологического конгресса. - Тольятти - Самара, Самарский научный центр РАН, Тольяттинский госуниверситет. - Т. 2. - 2013. - 268 с.

15. Митрохина, O.A. Агроэкологические аспекты возделывания озимой пшеницы с применением микроэлементов / O.A. Митрохина, A.A. Проценко, Е.П. Проценко, Н.П. Неведров. — Курск, гос. ун-т, - Курск, 2013. -98 с.

16. Неведров, Н.П. Применение удобрений в целях повышения эффективности фиторемедиации загрязненных цинком почв Курской области / Н.П. Неведров // Актуальш проблеми наук про життя та природокористування / материалы П-й Международной научно-практической конференции молодых ученых. Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины. - Киев, 2013. - с. 25-26.

17. Неведров, Н.П. Использование растений в целях детоксикации почв загрязненных тяжелыми металлами / Н.П. Неведров // Бъдещите изследвания — 2014 / Материали за X международна научна практична конференция. Том 39 Екология. - София : Изд-во «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2014. - с. 24-26.

18. Неведров, Н.П. Биологическая очистка загрязненных цинком почв Курской области / Н.П. Неведров // Актуальные проблемы общества, науки и образования: современное состояние и перспективы развития / Материалы международной научно-практической конференции. - М. : Изд-во «Перо», 2014.-с. 355-357.

19. Неведров, Н.П. Биологическая детоксикация загрязненных цинком почв / Н.П. Неведров // Ломоносов 2014: XXI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Биология»; 7-11 апреля 2014 г., Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, биологический факультет. - М. : Изд-во Московского университета, 2014. - с. 295-296.

Отпечатано в типографии Курской региональной общественной организации Общества «Знание» России

«МЭБ - print»

305000, г. Курск, ул. Радищева, 35, тел. (многоканальный): (4712) 56-16-32, 51-44-05 (доб.250), факс: (4712) 56-86-51,51-27-60 www.mebik.ru