Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал сортов рапса на загрязненных тяжелыми металлами почвах

Вагун, Илья Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал сортов рапса на загрязненных тяжелыми металлами почвах
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал сортов рапса на загрязненных тяжелыми металлами почвах"

На правах рукописи

Ф/'

/Г

40ЭиI»■

Вагун Илья Владимирович

Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал сортов рапса на загрязненных тяжелыми металлами почвах

Специальность 03.01.05 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 3 ИЮН 2011

Москва-2011

4850701

Работа выполнена на кафедре физиологии растений Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор Кошкин Евгений Иванович

доктор биологических наук, профессор Торшин Сергей Порфирьевич

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Иванов Юрий Валерьевич

Всероссийский научно-исследовательский институт удобрений и агропочвоведения им. Д. Н. Прянишникова

Защита диссертации состоится « » июня 2011г в на заседании

диссертационного совета Д 220.043.08 при ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49. Тел/факс: 8 (499) 976-24-92

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке имени Н.И. Железнова РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Автореферат разослан » _ 2011 г и размещен на

сайте www.timacad.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

Белопухов С.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Изучение поведения поллютантов, в том числе тяжелых металлов (ТМ), в биосфере весьма актуально, поскольку они представляют серьезную экологическую проблему. Среди химических элементов ТМ являются наиболее токсичными, так как обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям и способны инактивировать последние, а также могут накапливаться в организме, вызывая явно выраженное не только специфическое, но и хроническое действие. Тяжелые металлы ингибируют фотосинтез, нарушают минеральное питание, изменяют водный баланс и гормональный статус растений, тормозят рост и снижают продуктивность (Кошкин, 2010).

Площади загрязненных почв на территории России выше предельно допустимой концентрации (ПДК) ТМ составляют: хромом - 1,7, медью - 1,3, никелем - 0,8, свинцом - 0,7, кадмием - 0,26, цинком - 0,11%. Согласно результатам обследования сельскохозяйственных угодий в РФ, загрязнение почвы тяжелыми металлами происходит прежде всего на полях вокруг промышленных центров цветной и чёрной металлургии, предприятий химической и электрохимической промышленности, машиностроения, энергетики и других зон повышенного техногенного воздействия на окружающую среду. За пределами промышленных зон основные источники поступления ТМ в почву - транспорт, осадки и удобрения (Соколов, Черников, 1999).

В связи с этим неслучаен интерес к фиторемедиации - комплексу мероприятий, направленных на очистку окружающей среды (почвы и воды) от различных токсикантов с помощью растений. Используя эти приемы, можно проводить очистку территорий от многих видов загрязнения, включая тяжелые металлы (Прасад, 2003).

Разные виды растений обладают неодинаковой устойчивостью к действию тяжелых металлов. Так, растения-аккумуляторы, отличаясь высокой степенью устойчивости к ТМ, способны транспортировать последние в надземные органы, что позволяет использовать такие растения для фиторемедиации. Рапс (Brassica napus L. ssp. oleífera) может оказаться одним из перспективных видов для этой цели, поскольку относится к семейству Brassicaceae, насчитывающему наибольшее количество видов природных металлофитов (Hamlin, 2002; Cosío et al., 2004; Purakayastha et al., 2008).

Кроме того, на фоне нарастающего дефицита нефти поиск новых источников энергии становится все более актуальным. При этом особую значимость имеют альтернативные виды топлива из возобновляемых источников энергии - растительные масла, отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности, биомасса. В России

складываются благоприятные условия для выращивания рапса и производства рапсового масла для биодизельного топлива, в т.ч. на загрязненных почвах. Однако в этом случае может возникнуть проблема вторичного загрязнения территории тяжелыми металлами, образующимися при сгорании биотоплива.

Представляет также практический интерес использование незагрязненного растительного масла для питания человека, а жмыха и шрота после отжима из семян масла - в животноводстве.

Цель исследования: определить устойчивость к ТМ и фиторемедиационный потенциал растений рапса, а также возможность использования урожая семян, выращенного на загрязненных ТМ территориях, на пищевые, кормовые и технические цели.

Задачи исследования:

1. Выяснить способность растений ярового рапса аккумулировать РЬ, Сй и Zn в органах при различных уровнях искусственного загрязнения почвы этими металлами

2. Изучить действие ТМ на продуктивность растений и структуру урожая

3. Оценить характер влияния ТМ на содержание и выход масла, а также его жирнокислотный состав

4. Охарактеризовать фиторемедиационный потенциал сортов рапса с контрастным содержанием эруковой кислоты

Научная новизна. Впервые изучено действие кадмия, свинца и цинка при моновидовом загрязнении на продуктивность, элементы структуры урожая рапса, а также выход масла с урожаем и его жирнокислотный состав. Показано, что ТМ не оказывают значимого эффекта на жирнокислотный состав масла, однако его использование на пищевые цели ограничено. В сравнительных исследованиях впервые оценивалась фиторемедиационная способность двух сортов, отличающихся содержанием эруковой кислоты. Показано, что рапс обладает хорошей способностью очищать почву от Хп. По степени отрицательного влияния ТМ изучаемые показатели продуктивности и качества урожая располагались в следующий ряд в убывающей последовательности: выход масла с растения > масса семян > число семян с растения > коэффициент хозяйственной эффективности. Снижение выхода масла обусловлено главным образом уменьшением семенной продуктивности, определяемой преимущественно снижением числа семян с растения на фоне незначительного снижения содержания масла в семенах.

Практическая значимость. Экспериментально доказано, что рапс -перспективный вид для очистки почв, загрязненных 2п. Рапс способен давать урожай на умеренно и сильно загрязненных ТМ почвах. Полученный шрот можно использовать в качестве корма в животноводстве при дозах ТМ в почве: РЬ - до 100, Сё - до 1, Хп - до 100 мг/кг почвы. Масло на пищевые

цели можно применять при загрязнении почвы РЬ менее 100, Cd - менее 2, Zn - менее 200 мг/кг почвы а при большем - использовать в качестве биотоплива. При этом его жирнокислотный состав, в т.ч. содержание эруковой кислоты, при разных дозах ТМ различается несущественно.

Апробация работы. Материалы данной работы были представлены на Межинститутском научном молодежном семинаре ИФР РАН «Актуальные проблемы физиологии, молекулярной биологии и биотехнологии растений» 20 мая 2010 года, 17-ом съезде Федерации европейского общества физиологов растений (FESPB, 4-9 июля 2010 года в Испании), Координационном совещании «Научное обеспечение отрасли рапсосеяния -состояние, проблемы и задачи на 2011-2015 гг» (12-14 июля 2010 года, г. Липецк), Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» 9-12 ноября 2010 г (ИФР РАН), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов 23-24 апреля 2009г (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева), Международной научно-практической конференции, посвященной 145-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева «Адаптация сельского хозяйства России к меняющимся погодно-климатическим условиям» 7-10 декабря 2010 года.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из которых одна статья в журнале из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения полученных результатов, обсуждения, заключения и выводов. Работа изложена на J39 страницах машинописного текста, включая vex таблиц и рисунков. Список цитируемой литературы включает наименования, в том числе <Р£ на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю признательность профессору Белопухову C.JI. и доценту Воловик В.Т. за ценные советы и помощь в выполнении работы.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служил яровой рапс, однолетнее травянистое масличное растение семейства Brassicaceae: современный сорт двунулевого типа Подмосковный (содержание эруковой кислоты <0,1%) и среднеэруковый сорт канадской селекции 1954г Голден (Golden) (содержание эруковой кислоты 26,5%).

Для закладки опыта использовали пахотный слой дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы с селекционного поля ВНИИ кормов имени В.Р. Вильямса (ст. Луговая, Московская обл.). Фоновое содержание тяжелых металлов в почве соответствовало 41,4±0,19 мг/кг почвы (Zn), 13,3±0,17 (РЬ), что не превышало ПДК, a Cd был обнаружен в следовых концентрациях. Было проведено 3 вегетационных опыта: в 2008, 2009 и 2010 гг. Дозы ТМ

подбирались таким образом, чтобы снизить семенную продуктивность на 50%.

Питательные вещества (фон) вносили в виде нитроаммофоски (2,8 г/сосуд) в соотношении N, Р и К 1:1:1 при массе абсолютно сухой почвы в сосуде 4,42 кг. Тяжелые металлы вносили в виде растворов солей ZnS04, CdCl2, РЬ(СНзСОО)2 за 3-5 суток до посева. Посев в сосуды проводили на глубину 2 см. Конечная густота стояния составила 4 (2008г) или 5 (2009-201 Огг) растений / сосуд, что соответствует густоте стояния в полевых условиях 1,6 и 2,0 млн. раст/га.

Растения убирали в фазе полной спелости вручную, а для определения содержания фотосинтетических пигментов в листьях и площади листьев (201 Ог) - в начале фазы цветения.

Определение агрохимических показателей почвы проводили в соответствии с ГОСТами, гранулометрический состав - органолептическим методом. Измерение сухой массы отдельных органов растений (листьев, стеблей, корней, семян) проводили стандартным весовым методом. Анализы биометрических параметров урожая выполнялись по методике Госсортосети. Массу 1000 семян оценивали в соответствии с ГОСТ 10842-89.

Определение тяжелых металлов в органах растений проводилось на атомно-адсорбционном спектрофотометре КВАНТ - 2 AT и Формула ФМ-400 после озоления смесью HNOj и Н202 в автоклавном модуле для химической пробоподготовки МКП-04 (2008г), а также методом сухого озоления проб в тиглях (2009-201 Огг) с последующим их растворением в растворе 5н НС1.

Масличность семян определяли методом исчерпывающей экстракции в аппарате Сокслета. Масло получали из семян методом холодного прессования. Состав и содержание жирных кислот в масле определяли на газовом хроматографе Кристалл 2000М (2008-2009гг), и на газожидкостном хроматографе с масс-спектральным детектором «Clarus 600 C/D/S/T MS» (201 Or).

Определение фертильности пыльцы в нераскрывшихся бутонах, у которых начинал выступать венчик, проводили методом окрашивания пыльцы раствором йода в KI в начале цветения. Полученные препараты рассматривали под бинокулярным микроскопом МБС-10.

Площадь листьев определяли на фотопланиметре L1-3100, а содержание фотосинтетических пигментов - колориметрически на спектрофотометре СФ-104 в ацетоновом экстракте с последующим расчетом по уравнениям Хольма-В еттштейна.

Опыты проведены в 4-кратной повторности. Статистическую обработку данных проводили методом дисперсионного анализа при помощи программного обеспечения Excel. В качестве контроля принят вариант без внесения ТМ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Биометрические показатели и структура урожая растений рапса

Площадь листьев и содержание фотосинтетических пигментов. Контрольные растения сорта Голден имели меньшие площадь листьев и продуктивность, чем растения сорта Подмосковный. Площадь листьев отрицательно коррелировала с дозой ТМ (г = -0,88...-0,95). Между дозами ТМ и содержанием фотосинтетических пигментов также установлена отрицательная корреляция (г = -0,65...-0,99). Вместе с тем, соотношение концентраций хлорофиллов а и Ъ отличалось достаточно высокой стабильностью. Однако максимальные дозы Pb, Cd и Zn все же снижали это соотношение до 91,8; 95,6 и 93,7% (сорт Подмосковный) и 94,8; 86,0 и 82,6% (сорт Голден) от контроля.

При этом соотношение (хл. а + хл. Ь) / каротиноиды увеличивалось до 148 (РЬ), 135 (Cd) и 131% (Zn) (сорт Подмосковный) и соответственно 155, 163 и 226% (сорт Голден) от контроля, главным образом за счет более сильного снижения содержания каротиноидов.

У высокоэрукового сорта Голден содержание хлорофиллов, особенно хл. b в 3-м листе снизу в фазе цветения ниже, чем у сорта Подмосковный. Свинец незначительно (на 16% - сорт Подмосковный, 13% - Голден), a Cd и Zn - существенно (45% и 34% - Подмосковный, 24% и 34% - Голден) снижали суммарное содержание хлорофиллов. Это может указывать на то, что изучаемые ТМ по-разному влияют на скорость старения листьев и, соответственно, вклад текущего фотосинтеза в налив семян.

Интересно, что снижение семенной продуктивности на 50% и более происходило на фоне относительно меньшего снижения суммарного содержания хлорофиллов а и b (65-93% от контроля) и площади листьев (7789%). Таким образом, конечная продуктивность растений может определяться как содержанием фотосинтетических пигментов, так и площадью поверхности листьев.

Семенная продуктивность. Токсичное действие ТМ наиболее отчетливо проявляется при дозах, вызывающих 50% снижение семенной продуктивности. Таковыми были в 2008 году РЬадо и Zn50o, а максимальная доза Cd,4 снизила ее на 37%. В 2009-201 Огг, после корректировки максимальных доз Cd и РЬ, снижение семенной продуктивности примерно на 50% наблюдалось при дозах Pb55o, Cd20 и Zn800 У обоих сортов (табл. 1). Изменение токсичности металлов по годам можно объяснить как разными погодными условиями, так и взаимодействием генотипа со средой.

Между дозами ТМ и семенной продуктивностью, как и площадью листьев, выявлена сильная отрицательная линейная корреляция, сохранившаяся во все годы эксперимента (г=-0,98...-0,94), кроме вариантов с Cd в 2008 году, когда коэффициент корреляции составил -0,87, то есть на

долю неучитываемых факторов приходилось 24%. В диапазоне концентраций, вызвавших снижение семенной продуктивности до 50%, указанная корреляция металлонеспецифична.

Таблица 1. Масса семян, г/раст

Годы исследований

2008 2009 2010

Сорт Подмосковный Подмосковный Подмосковный 1 Голден

Дозы ТМ, мг/кг почвы

0 (контроль) 2,41 100% 1,89 100% 1,81 100% 1,71 100%

РЬ

50 2,32 96,3 - - - - - -

100 1,97 81,7 1,95 103,2 1,86 102,8 1,69 98,8

150 1,84 76,3 - - - - - -

200 1,83 75,9 - - _ - - -

250 1,73 71,8 1,62 85,7 1,40 77,3 1,32 77,2

300 1,55 64,3 - - - - - -

350 1,45 60,2 _ - - - _ -

400 1,19 49,4 1,15 60,8 1,05 58,0 0,98 57,3

550 - - 1,08 57,1 0,98 54,1 0,85 49,7

НСРо5 0,11 - 0,13 - 0,09 - 0,08 -

г -0,98 - -0,96 - -0,96 - -0,98 -

са

1 2,00 83,0 - - - - - -

2 1,99 82,6 1,99 105,3 1,86 102,8 1,77 103,5

4 1,77 73,4 - - - - - -

6 1,75 72,6 - - - - - -

8 1,72 71,4 1,73 91,5 1,69 93,4 1,63 95,3

10 1,75 72,6 - - - - - -

12 1,64 68,0 - - - - - -

14 1,52 63,1 1,00 52,9 0,92 50,8 0,89 52,0

20 - - 0,90 47,6 0,84 46,4 0,79 46,2

НСР05 0,04 - 0,11 - 0,10 - 0,09 -

г -0,87 - -0,94 - -0,95 - -0,94 -

Хп

100 2,36 97,9 - - - - - -

200 1,74 72,2 1,85 97,9 1,72 95,0 1,77 103,5

300 1,56 64,7 - - - - - -

400 1,32 54,8 1,45 76,7 1,16 64,1 1,19 69,6

500 1,01 41,9 - - - - - -

600 0,73 30,3 1,34 70,9 0,96 53,0 1,03 60,2

700 0,46 19,1 - - - - - -

800 0,34 14,1 1,04 55,0 0,76 42,0 0,75 43,9

НСР05 0,09 - 0,17 - 0,19 - 0,13 -

г -0,98 - -0,97 - -0,97 - -0,95 -

Накопление вегетативной массы менее зависимо от доз ТМ, о чем можно судить на основании более узкого диапазона изменчивости этого показателя. Так, в экспериментах 2009-20Югг максимальные дозы РЬ, Сс1 и

2п снизили накопление вегетативной массы лишь до уровня соответственно 79-83%, 81-87% и 85-94% от контроля (рис. 1). При этом характер накопления вегетативной массы растениями рапса отличался от опыта 2008г: низкие дозы Сс1 (2 мг/кг) даже стимулировали накопление массы стеблей и листьев, и лишь при более высоких дозах наблюдалось ингибирование ее накопления.

го4 Р

д п -О .о п о. а. а. а. о.

о о о о

о о о о о о

N П « Й (О N

С С С С С С

N NN NN N

о ¡агора*, В2009, 32010 -сорт Подмосковный; Ш2010-сорт Голден]

* - без учета массы листьев

Рисунок 1. Вегетативная масса растений рапса при разных дозах ТМ в фазе уборочной спелости в 2008-20 Югг

Масса листьев оказалась более устойчивой к действию ТМ, чем масса стеблей и корней, так как дозы, значимо снижающие этот показатель, были выше. Действительно, в сравнении с контролем максимальные дозы РЬ, Сс1 и Zn снижали массу листьев у растений сорта Подмосковный на 17%, 8% и 3% (2009 год), на 13%, 15% и 12% (2010 год), сорта Голден - на 11%, 22% и 24% (2010 год) соответственно. Интересно, что низкие дозы Сс1 (2 мг/кг) и Ъх\ (200 мг/кг) даже стимулировали формирование листового аппарата, практически не влияя на семенную продуктивность. При максимальном загрязнении почвы вклад листьев в биомассу растений увеличился на 11-12% от контроля. Это можно рассматривать как механизм, позволяющий компенсировать на организменном уровне снижение функциональной активности фотосинтетического аппарата с повышением ТМ.

Снижение массы корней в ответ на действие ТМ было выражено более отчетливо. Так, в 2008 году РЬ, Сс1, Ъх\ снизили ее у сорта Подмосковный на 32%, 28% и 33%, в 2009 году - на 26%, 15% и 6%, в 2010 году - на 29%, 27%, 18%. У сорта Голден снижение составило соответственно 29%, 31% и 27%.

Строгой закономерности в действии отдельных ТМ на массу корней не обнаружено. Отчасти это можно объяснить недостаточно полным извлечением корней из почвы в процессе отмывки, а также тем, что в фазе уборочной спелости значительная часть метаболически активных корней уже погибла.

Для оценки роли реутилизации ассимилятов из вегетативных структур при наливе семян используется коэффициент хозяйственной эффективности (Кхи), рассчитываемый как отношение массы семян к надземной биомассе в фазе уборочной спелости. В 2008 году Кх03, рассчитанный без учета массы листьев, при увеличении содержания РЬ и Хп в семенах демонстрировал тенденцию к снижению, а Сё практически не изменял этот показатель. В 2009 году тенденция изменения Кхоз при действии РЬ сохранилась, высокие дозы Сс1 снижали Кхоз, а Тп изменял этот показатель в меньшей степени, то есть отток ассимилятов из листьев в семена был значительнее. В 20 Юг Кхш у сорта Подмосковный оказался более устойчив к действию РЬ, а сорта Голден - к гп при схожей норме реакции обоих сортов на СсЗ. В целом, характер действия разных металлов на Кхот сохранялся на протяжении всех лет опыта и не зависел от вида ТМ.

Структура урожая. Масса 1000 семян и число семян с растения представляют собой два главных показателя структуры урожая. Наибольшая масса 1000 семян характерна для контроля, тогда как увеличение дозы ТМ в почве снижало этот показатель, что указывает на ограничение тяжелыми металлами полноты налива семян (рис. 2). Так, у сорта Подмосковный минимальная масса 1000 семян в опытных вариантах отмечена при действии цинка (65% от контроля в варианте Тпт в 2010 году), тогда как при действии РЬ и Сй даже в максимальных дозах этот показатель составлял соответственно 77% и 85% от контроля.

Из двух показателей - числа и массы 1000 семян последний оказался наименее изменчивым, особенно при действии РЬ и С<3. Вместе с тем, максимальные дозы РЬ, Сс1 и Ъъ уменьшили число семян с растения соответственно до 64%, 54% и 65% от контроля. Оба сорта примерно в равной мере снижали этот показатель, демонстрируя качественно сходную реакцию при контроле семенной продуктивности.

Число стручков с растения при действии ТМ уменьшилось в большей степени, чем число семян в стручке. Так, максимальные дозы РЬ, Сс1 и Тп снизили первый показатель до 68,67 и 73% от контроля, а последний - до 95, 81 и 89%. Следовательно, обсемененность стручка - более стабильный признак, чем число стручков на растении. Аналогичные тенденции отмечались также в другие годы исследований.

Таким образом, в регулировании семенной продуктивности рапса участвуют все указанные показатели, но в большей степени число семян на растении, чем масса 1000 семян. При этом в контроле числа семян

задействованы как число стручков, так и их обсемененность, причем первый параметр при действии ТМ играет ведущую роль. Видимо, в зависимости от эффекта взаимодействия генотипа со средой растения рапса способны менять стратегию в ответ на действие стрессора с целью сохранения максимального числа жизнеспособных семян.

100 -

! *

100 -

контроль РМ00 РЬ250 РЬ400 РЬ550 контроль Ы2 Сс18 Сс114 Сй20

100

* .

Рисунок 2. Изменение массы 1000 семян (♦), числа семян с растения (А), числа семян на стручок (•) и числа стручков на растении (■) в зависимости от дозы ТМ (контроль — 100%). 2010 год, сорт Подмосковный 2. Содержание тяжелых металлов в растениях рапса, их накопление и распределение по органам

Содержание ТМ в надземной сфере растений в годы исследований коррелировало с их валовым содержанием в почве, то есть с учетом фонового содержания (рис. 3).

контроль 2п200 гп400 гпбОО гп800

|3 2 е $2

|о

200 400 600 800 Концентрация РЬ в почве, мг/кг

|ю 2

£ в

С О А

"О А

О 4 к

л ' о.

|о

5 10 15 20 Концентрация Сй в почве, мг/кг

■§4000

I 3000 1 «2000 N

§1000

200 400 600 800 1000 Концентрация в почве, мг/кг

Рисунок 3. Зависимость концентрации

ТМ в побеге от их концентрации в почве, 2010 год

• - сорт Подмосковный ■ - сорт Голден

При этом содержание РЬ и С<1 в растениях в ответ на их повышающуюся концентрацию в почве увеличивалось линейно. Это может указывать на то, что рапс по отношению к этим металлам характеризуется как индикатор. В отношении же цинка рапс ведет себя как аккумулятор, так как содержание в органах растений многократно возрастает в ответ на повышение его концентрации в почве, особенно при высоких дозах.

Так, в опыте 20 Юг при увеличении концентрации Хп в почве в 1,8 раза (дозы 2п2оо и Ъпт плюс фоновое содержание) концентрация Ъа. в побеге увеличилась в 1,9 (сорт Подмосковный) и 1,8 раз (сорт Голден); при дальнейшем увеличении концентрации Ха в почве в 1,3 раза (дозы /п^оо и гп8оо) концентрация Ъп в побеге увеличилась уже в 3,4 (сорт Подмосковный) и 4,2 раза (сорт Голден).

Способность растений поглощать металлы из почвы характеризуется коэффициентом биологического поглощения (КБП), представляющим собой соотношение концентраций металла в растении и почве.

Таблица 2. Коэффициент* биологического поглощения

Тяжелый металл Сорт Подмосковный Сорт Голден

РЬ 0,009 0,007

са 0,50 0,36

1п 3,75 3,30

* рассчитан для максимальных концентраций ТМ

Оценивая значение КБП можно сделать вывод, что рапс слабо аккумулирует РЬ и значительно лучше - Хп, а Сс1 занимает положение, близкое к РЬ.

Вынос растениями сорта Подмосковный РЬ, Сс1 и Zn при их максимальных дозах был выше соответственно на 43%, 54% и 52%, чем сорта Голден, что объясняется меньшими как накопления биомассы, так и концентрации ТМ в надземных органах растений.

Большей информативностью при сравнении фиторемедиационного потенциала сортов обладает коэффициент выноса, представляющий собой отношение выноса ТМ растениями к их содержанию в почве. При этом коэффициент выноса зависел как от дозы, так и вида ТМ. Так, в 20 Юг у сорта Подмосковный с увеличением дозы РЬ и Сс1 он снижался с 0,012 до 0,007 (РЬ) и с 1,97 до 0,39 (Сс1). Это объясняется тем, что растению доступна лишь часть ТМ, находящихся в почве.

Что касается цинка, коэффициент выноса увеличивался с 0,7 до 3,0 с повышением его концентрации в почве (20 Юг, сорт Подмосковный). Это обусловлено тем, что в отношении цинка рапс ведет себя как аккумулятор этого элемента. Однако дальнейшее повышение концентрации Хп в почве может привести к значительному ингибированию накопления биомассы и гибели растений, и соответственно к резкому снижению эффективности фиторемедиации. В нашем опыте снижения коэффициента выноса не произошло, так как критическая концентрация Ъх в почве еще не была

достигнута. Максимальные значения коэффициента выноса у сорта Подмосковный составляли: для свинца - 0,02 (РЬ100г 2009г), для кадмия - 1,97 (Сс12, 2010г), и для цинка - 4,5 2008г). Сорт Голден в сравнении с

современным сортом имел меньшие значения данного коэффициента - 0,01, 1,30 и 2,2 соответственно.

При анализе соотношения концентрации ТМ в органах (табл. 3) установлено, что РЬ и С<1 преимущественно концентрируются в корнях, тогда как 1п-ъ листьях и стеблях. Содержание ТМ в семенах - наименьшее среди органов, что свидетельствует о наличии весьма эффективных защитных механизмов, препятствующих поступлению ТМ из корней в побег, особенно

для РЬ, а из побега - в семена (табл. 4).

Таблица 3. Соотношение концентраций РЬ, Сс1 и Zn в органах растений рапса при дозах ТМ, снижающих семенную продуктивность на 50%_

Дозы ТМ Определяемый элемент Лист* Стебель Корень Семена

2010 год, сорт Подмосковный

РЬ550 РЬ 1,00 1,58 20,72 0,73

Контроль** 1,00 6,33 14,20 0,47

СсЬо са 1,00 0,94 3,19 0,36

Контроль 1,00 1,92 3,15 0,13

2П800 Ъа. 1,00 1,08 0,80 0,18

Контроль 1,00 0,53 0,61 0,20

2010 год, сорт Голден

РЬ55о РЬ 1,00 1,97 19,75 0,71

Контроль 1,00 6,50 20,75 0,50

СсЬо са 1,00 1,31 5,04 0,46

Контроль 1,00 0,56 1,00 0,07

Ъа 1,00 1,16 0,82 0,24

Контроль 1,00 0,54 0,42 0,36

* - концентрация ТМ в листьях условно принята за единицу ** - соотношение элементов при их фоновом содержании в почве (контроль) Таблица 4. Соотношение концентраций РЬ, Сё и Тп в отдельных частях растений при максимальном загрязнении почвы ТМ (50% снижение

Соотношение концентраций

побег/корень побег/семена

ТМ 2009 год, сорт 2010 год, сорт 2010 2009 год, сорт 2010 год, сорт 2010

Подмосковный Подмосковный год, Подмосковный Подмосковный год,

сорт сорт

Голден Голден

РЬ 0,032 0,059 0,069 1,38 1,66 1,92

са 0,196 0,306 0,222 1,73 2,68 2,45

гп 1,310 1,280 1,290 3,77 5,65 4,44

Тем не менее, загрязнение почвы РЬ в концентрации 100 (100), С<1 - 2 (1), Ъп - 200 (100) мг/кг и более приводит к превышению ПДК по этим металлам в масле (шроте).

Есть мнение, что Сс1-устойчивые растения обладают более низким соотношением концентраций Сс1 в побегах и корнях, чем восприимчивые

(Knecht et al., 1992). С учетом этого, растения сорта Голден могут рассматриваться как более устойчивые к кадмию, однако это требует дальнейших исследований.

Интересно, что соотношения концентраций ТМ в побеге и семенах при их максимальных дозах в почве варьируют в широком диапазоне и составляют 1,38-1,92; 1,73-2,68 и 3,77-5,65 соответственно для Pb, Cd и Zn. Эти данные указывают на высокий градиент концентраций между побегом и семенами, особенно по Zn, что предполагает возможность реутилизации данного металла из листьев в семена при условии его достаточной подвижности. Одновременно при этом сохраняется максимальная среди ТМ концентрация цинка в побеге, что свидетельствует об эффективных механизмах его детоксикации.

Основной вклад в накопление ТМ целым растением в опытных вариантах вносят: РЬ - корни, Cd и Zn - листья, а наименьший - семена (данные не показаны).

3. Качество урожая семян рапса Из параметров качества урожая маслосемян наибольший интерес представляет содержание и сбор масла, а также его жирнокислотный состав.

Содержание и сбор масла. С повышением дозы ТМ содержание масла в семенах снижалось (рис. 4).

сорт Подмосковный сорт Голден

% г/раст % г/раст

(г/раст) у сортов рапса от уровня загрязнения почвы czi - содержание масла, ■■ - сбор масла

Из изучаемых ТМ наибольшее отрицательное влияние на содержание масла оказали в 2008 году - Zn, в 2009 - РЬ, а в 2010 - Zn (сорт Подмосковный), РЬ и Cd (сорт Голден). Обращает внимание более высокое содержание масла в семенах в 2010 году у сорта Подмосковный в сравнении с предыдущим годом, что объясняется относительно благоприятными условиями жиронакопления, в связи с чем контрольные растения тоже отличались более высоким содержанием масла. Сортоспецифическая реакция на отдельные ТМ в 20 Юг объясняется различными эффектами взаимодействия генотипа со средой (погодные условия и дозы ТМ).

Содержание масла в семенах при действии ТМ снижалось в меньшей мере, чем сбор масла с растения. Это объясняется тем, что даже максимальные дозы РЬ, Сё и Ъп снижали содержание масла в абсолютном выражении у сорта Подмосковный на 2,9%; 1,46% и 1,62% (2009 год), 0,9%; 1,55% и 3,2% (2010 год), а у сорта Голден - на 2,76%; 2,63% и 1,36% соответственно. Вместе с тем семенная продуктивность при максимальных дозах ТМ снижалась примерно вдвое, что привело к значительному недобору масла, особенно у сорта Голден. Именно она, а не масличность, внесла доминирующий вклад (58-79%) в выход масла с растения.

Жирнокислотный (ЖК) состав масла. Сорт Подмосковный - пищевого направления, так как в нем в отличие от другого сорта практически полностью отсутствует эруковая кислота, а в составе масла в основном представлены олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. У сорта Голден ЖК состав преимущественно представлен олеиновой, линолевой, линоленовой, эйкозеновой и эруковой кислотами. Масло, полученное из семян этого сорта, пригодно главным образом для технических целей.

Состав масла у сорта Подмосковный не зависел от видов и доз ТМ (данные не показаны). Так, при действии РЬ и Сё содержание линоленовой кислоты в 2008г увеличилось, в 2009 году увеличение было отмечено только при дозах РЬ55о и Сё20, а в 2010г - отмечалось как увеличение (РЬ100, СсЬ), так и ее снижение (РЬ4оо, Сём). Также не было обнаружено закономерностей в действии ТМ на содержание олеиновой кислоты. Тем не менее, содержание линолевой кислоты увеличивалось при всех дозах РЬ в 2008-2009гг у сорта Подмосковный и в 20 Юг - у сорта Голден. У последнего наибольшее влияние ТМ и особенно Ъл оказали на содержание эруковой кислоты, несколько повысив ее (РЬюо, РЬ55о; Сё2, СсЗ,4; 2п200, 2п6оо), что

теоретически может влиять на качество масла при его использовании на технические цели.

При этом содержание олеиновой кислоты, как правило, снижалось (РЬюо, РЬ25о, РЬ4оо, РЬ55о1 Сё2, Сс114; 7п200, 7-пт, Тпт), а линолевой -повышалось (РЬ100, РЬ25о, РЬ4оо, РЬ55сь СсЬ, Сс12о; гп2оо). Содержание линолевой кислоты при действии РЬ увеличивалось (РЬюо, РЬ25о> РЬ4оо). а при действии С(1 и Хп - уменьшалось (Сс18, Сё)4, Сс12о; Zn4oo, Zn6oo, 2п8оо)- Изменение содержания эйкозеновой кислоты не имело четких закономерностей.

Четкой корреляции между содержанием ТМ в органах и жирнокислотным составом масла также обнаружено не было. В частности, содержание эруковой кислоты определялось прежде всего сортом, и мало зависело от содержания ТМ в побеге (рис. 5).

100,00r 0

й?

10,00-

S 1,00-I

>. п 0,10-

0,01-

.лд & 9

500 1000

ла

—\-Г-

1500 2000

n □ О 0_О П

2500 О

3000 3500 4000

■у [Zn], мг/кг побега (А)

[Cd], мг/кг побега (в)

А |

Ч-1-1- [РЬ], мг/кг побега (в)

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Рисунок 5. Действие ТМ на содержание эруковой кислоты в семенах рапса сорта Подмосковный (заштрихованные фигуры) и Голден (полые фигуры) (2010 год)

В период налива семян в 2008 году средняя температура воздуха была на 1,6% выше, чем в 2009 году. Это привело в опыте 2008г к увеличению содержания насыщенной пальмитиновой и мононенасыщенной линолевой кислоты на 1,3% и 1,0% соответственно, а полиненасыщенной линоленовой, напротив к снижению на 2,5% (данные не показаны).

4. Вариабельность морфофизиологических показателей при действии тяжелых металлов

Растения реагируют на действие тяжелых металлов в течение вегетационного периода системно - согласованным изменением целого ряда показателей. Диапазон изменчивости последних в сравнении с контрольными растениями может свидетельствовать о путях адаптации на организменном уровне. Поскольку в опыте учитывалась семенная продуктивность рапса, оказалось возможным оценить не только биологическую, но и агрономическую устойчивость к воздействию Pb, Cd и Zn. При этом сопряженность морфофизиологических параметров анализировалась на фоне жесткого действия стрессоров, вызывающих в качестве максимального негативного эффекта 2-кратное снижение семенной продуктивности. Ожидалось, что в зависимости от вида металла и специфики его действия, подобный эффект может быть достигнут искомыми сортами разными путями. Кроме того, предполагалось, что итоговый вклад основных проанализированных показателей в конечную урожайность при умеренном и жестком действии стрессоров, снизившим семенную продуктивность соответственно на 10-25% и 45-50%, может быть неодинаковым. При этом для оценки реакции сортов особенно наглядным представляется расчет отношения величины показателей продуктивности, а также выноса ТМ при максимальном загрязнении ТМ и в контроле (рис. 6).

Содержание пигментов в листьях. Содержание пигментов при действии ТМ снижалось, особенно в варианте с цинком (рис. 6 А). Самыми чувствительными к изучаемым металлам оказались каротиноиды,

содержание которых снизилось до 56-57, 41-47 и 29-51% от контроля, соответственно в опыте со свинцом, кадмием и цинком. Содержание хлорофиллов при этом было выше - 84-87, 55-76 и 65-66% соответственно. Соотношение концентраций хлорофиллов а и Ь отличалось достаточно высокой стабильностью, однако максимальные дозы РЬ, Сс1 и Хп снижали его. Подобные данные могут пролить свет на хлороз листьев и их ускоренное старение в опытных вариантах (фотографии не показаны).

Биометрические показатели. Примерно двукратное снижение семенной продуктивности сочеталось с заметно меньшим снижением накопления надземной вегетативной массы при действии РЬ, Сс1 и Ъл, соответственно на 17-21, 13-19 и 6-15% в среднем за 2009-2010 гг. Площадь листьев при этом снизилась на 13, 23 и 20% и заметно сильнее Кх03 - 24-32, 39-41 и 37-46%. Таким образом, основной вклад в снижение КХоз внесла семенная продуктивность, а не вегетативная масса. Вклад корней в биомассу изменялся несущественно.

Почти 2-кратное снижение семенной продуктивности сопровождалось уменьшением числа семян на 35-46% при значительно меньшем снижении массы 1000 семян. Это указывает на то, что именно число семян с 1 растения определяет снижение семенной продуктивности, а не масса единичного семени. При этом число семян, в свою очередь, определяется скорее числом стручков на 1 растение, нежели числом семян в стручке. Из изучаемых металлов кадмий оказывает наибольшее отрицательное влияние на число семян с растения, сравнимое с таковым по семенной продуктивности (см. рис. 8 А).

Содержание и выход масла. Изучаемые тяжелые металлы за исключением цинка, даже при повышенных дозах не оказали существенного отрицательного влияния на масличность семян и качество масла, но уменьшили выход масла на величину, аналогичную семенной продуктивности.

Содержание и вынос тяжелых металлов. Наиболее широкий диапазон изменчивости содержания отмечен у кадмия - в листьях и корнях, наименьший у РЬ в стебле. Обращает внимание 40-50 кратное превышение концентрации 2п в стебле в варианте 2пвоо над контролем (рис. 6 Б).

При этом изучаемые сорта качественно однотипно реагируют на воздействие свинца по целому ряду параметров. Снижение семенной продуктивности почти на 50% сочеталось с незначительным преимуществом старого сорта Голден по содержанию пигментов при меньших значениях массы 1000 семян, выхода масла с 1 растения и Кхоз.

Рисунок 6. Соотношения величин показателей продуктивности (А) и выноса ТМ (Б) сортами рапса при максимальном загрязнении почв и в контроле. Сорта: • - Подмосковный, ■ - Голден

А: 1 - масса семян, 2 - вегетативная массы, 3 - Кхсо> 4 - площадь листьев, 5 и 6 - вклад листьев и корней в биомассу, 7, 8 и 9 - содержание хл. а, хл. Ъ и каротиноидов, 10 - масса 1000 семян, 11 - число семян в стручке, 12 и 13 - число стручков и семян с растения, 14 и 15 - содержание масла и выход его с растения

Б: 1 и 2 - накопление и концентрация в корнях, 3 и 4 - накопление и концентрация в стебле, 5 и 6 - накопление и концентрация в листьях, 7 - вынос надземной частью

При снижении же семенной продуктивности на 25% (рис. 7) в условиях

умеренного стресса различия между сортами по норме реакции становятся

еще меньше. При умеренном стрессе в сравнении с сильным отмечается

снижение диапазонов изменчивости по вкладу листьев в биомассу,

содержанию каротиноидов, площади листьев, числу стручков и семян с 1 растения, а также выходу масла с растения.

При весьма слабом стрессе относительно чувствительными к кадмию оказались лишь содержание каротиноидов и в меньшей мере содержание хлорофиллов. При сильном же стрессе диапазон вариабельности показателей оказался близким к таковому в варианте со свинцом. Оба сорта как качественно, так и количественно однотипно реагируют на воздействие высоких доз кадмия,

Сортоспецифичность реакции на цинк проявляется прежде всего в резком снижении концентрации каротиноидов в листьях сорта Голден при сильном стрессе в сравнении с сортом Подмосковный. Обратная картина наблюдается при умеренном стрессе (рис. 7 А), когда заметнее снижение содержания зеленых пигментов у современного сорта при примерно равном диапазоне изменчивости других параметров. Обращает внимание меньший диапазон изменчивости значения Кхоэ при умеренном стрессе в сравнении с сильным действием стрессора (рис. 7 А).

При этом в 2010 году при максимальном загрязнении семенная продуктивность у сорта Подмосковный в вариантах с РЬ, Сс1 и Ъл соотносилась как 1:0,86:0,78, а у сорта Голден 1:0,93:0,88. Меньшая продуктивность в варианте с цинком объясняется более ранней деградацией хлорофиллового комплекса в листьях в сравнении с РЬ и Сё, что приводит к ускоренному старению фотосинтетического аппарата, неполному наливу семян при прочих равных величинах отклонения показателей от контроля и меньшей семенной продуктивности.

Что касается действия умеренных доз ТМ, по меньшей мере РЬ и Ъл, наиболее значимые отклонения от контроля отмечены по содержанию пигментов и массе 1000 семян (2п), числу стручков и семян на растении, а также выходу масла с растения (рис. 7А).

Преимущество по выносу свинца надземной частью современного сорта в сравнении со старым обусловлено более высоким его содержанием в листьях и семенах при примерно одинаковой концентрации в стебле и равном выносе последним (рис. 6 Б). Превышение концентрации РЬ в корнях в опыте в сравнении с контролем было почти 20-, листьях 13- и в стеблях - 4-кратное. При умеренном стрессе норма реакции указанных показателей заметно уже при сохранении тенденций по накоплению и концентрации РЬ в корнях (рис. 7Б).

Иная тенденция отмечена по действию кадмия (рис. 6Б). Относительно больший вынос кадмия надземными органами у современного сорта определяется многократным превышением содержания С<1 в листьях и выноса этим органом в сравнении с контролем при близких величинах выноса стеблем. Отмеченная закономерность сохраняется также при

умеренном действии стрессора, но диапазон изменчивости показателей заметно меньше (рис. 7Б).

РЪ

Сй

2п

Рисунок 7. Соотношения величин показателей продуктивности (А) и выкоса ТМ (Б) сортами рапса при слабом - С<1, умеренном (РЬ и Ъп) загрязнении почвы и в контроле Обозначения как на рис. 6

В условиях повышенного загрязнения цинком различий по выносу металла надземными органами искомых сортов не выявлено, хотя и установлено заметное преимущество сорта Голден по концентрации Ъп и его накоплению в корнях (рис. 6Б). При умеренном загрязнении наблюдается относительно больший вынос цинка современным сортом, что объясняется

его преимуществом над контролем по концентрации Ъп как в листьях, так и в стеблях (рис. 7Б).

Рисунок 8. Металлоспецифичность соотношения величин показателей продуктивности (А, В) и выноса ТМ (Б, Г) растениями рапса* при максимальном (А, Б); слабом и/или умеренном (В и Г) загрязнении почвы и в контроле

• -РЬ, и-са, А-гп

Нумерация показателей такая же, как на рис. 6

* усредненные данные для двух сортов

Что касается вариабельности концентраций ТМ в органах и выноса ими, диапазон изменчивости был наибольшим: у Сс1 - по концентрации в листьях и корнях и накоплению в этих органах, '¿п - по концентрации в стеблях и накоплению в них. Реакция на РЬ оказалась заметно меньшей (рис. 8Б).

Подавляющее преимущество по соотношению параметров в условиях умеренного стресса также осталось за С6, минимальные значения отмечены для цинка, лишь ненамного уступающие свинцу (рис. 8Г).

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Среди изученных ТМ наибольшим коэффициентом выноса (до 4,5% от его содержания в почве) характеризовался минимальным - РЬ (0,02%), а Сё занимал промежуточное положение (1,97%), заметно уступая 7л. Сорт старой селекции Голден с высоким содержанием эруковой кислоты

отличался меньшей эффективностью фиторемедиации, уступая современному сорту Подмосковный по выносу РЬ 43%, Сё 54%, Ъп 52%, что объясняется как меньшим накоплением биомассы, так и меньшей концентрацией ТМ в надземных органах растений.

2. Изменение показателей выноса и содержания ТМ при действии РЬ и Тп у обоих сортов имеет качественно схожий характер. Действие Сё приводит к существенному повышению его концентрации и выноса с листьями у сорта Подмосковный, а стеблем и корнями - у сорта Голден.

3. По способности концентрировать РЬ и Сё органы растений рапса располагаются в следующий ряд в убывающей последовательности: корни

> листья > стебли, наиболее заметно выраженный у сорта Подмосковный. Цинк концентрируется преимущественно в стебле и корнях, и меньше - в листьях, особенно у сорта Годден.

4. Семенная продуктивность и Кх03 у сорта Подмосковный более устойчивы к действию РЬ, а сорта Голден - к 2л при схожей норме реакции обоих сортов на Сё. Снижение семенной продуктивности, особенно при высоких дозах, обусловлено ингибированием развития корневой системы, формирования листьев, синтеза пигментов, особенно каротиноидов.

> масса семян > число семян с растения > коэффициент хозяйственной эффективности. Снижение выхода масла с растения обусловлено главным образом уменьшением семенной продуктивности, определяемой преимущественно снижением числа семян с растения на фоне незначительного уменьшения содержания масла в семенах. Менее жесткий стресс, вызывающий 10-25% снижение семенной продуктивности, в целом сохраняет характер ранжирования изучаемых показателей по степени отрицательного влияния ТМ, ослабляя лишь ее выраженность.

6. При загрязнении почвы РЬ в концентрации 100, Сё -2, Zn- 200 мг/кг и более полученное рапсовое масло может быть использовано только на технические, но не пищевые цели.

7. Загрязнение РЬ, Сё и Ъъ в концентрациях, превышающих соответственно 100,1 и 100 мг/кг почвы не позволяют использовать полученный рапсовый шрот при кормлении животных и птицы.

8. Содержание основных жирных кислот у сорта Подмосковный под действием ТМ изменяется несущественно (У=1,92-6,65%) в отличие от сорта Голден (У=5,69-23,20%), что свидетельствует о значительном, хотя и незакономерном его изменении у последнего.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кошкин Е.И., Андреева И.В., Вагун И.В. Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал растений рапса при различных уровнях загрязнения дерново-подзолистой почвы тяжелыми металлами. II Агрохимия, 2010, № 12, с. 52-57.

2. Вагун И.В., Андреева И.В., Кошкин Е.И. Особенности накопления тяжелых металлов яровым рапсом при различных уровнях загрязнения дерново-подзолистой почвы // Материалы Международной научной конференции молодых ученых и специалистов. - М.: РГАУ-МСХА, 2009, с. 205-209.

3. Вагун И.В., Кошкин Е.И. Связь жирнокислотного состава масла и фиторемедиационного потенциала генотипов рапса. // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума «Растение и стресс» 09-12 ноября 2010 г. -Москва, 2010, с. 76-77.

4. Кошкин Е.И., Вагун И.В., Воловик В.Т., Коровина Л.М. Влияние загрязнения дерново-подзолистой почвы тяжелыми металлами на продуктивность ярового рапса // Научное обеспечение отрасли рапсосеяния и пути реализации биологического потенциала рапса. -Научные доклады на международном координационном совещании. -Липецк, ВНИИ ралса, 2010, с. 249-251.

5. Koshkin Е., Vagun I. Phytoremediation capability of Brassica napus grown on soils, contaminated with heavy metals (Фиторемедиационный потенциал растений Brassica napus на загрязненной тяжелыми металлами почве). FESPB, 2010 - XVII Congress of the Federation of European Societies of Plant Biology. Book of Abstracts. 4-9 July 2010, Valencia, Spain, p. 54.

Отпечатано с готового оригинал -макета

Формат 60х84'/|6 Усл.печ.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 256.

Издательство РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева 127550. Москва, ул. Тимирязевская, 44

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Вагун, Илья Владимирович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Использование и биологические особенности рапса.

1.2. Поступление, транспорт и локализация ТМ в растении.

1.3. Физиолого-биохимическая роль тяжелых металлов в растении.

1.4. Фиторемедиация и пути повышения ее эффективности.

1.5. Рапс как потенциальный фиторемедиатор.

ГЛАВА II. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Материалы и методы.

2.2. Аналитическая работа.

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ

ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Биометрические показатели и структура урожая растений рапса.

3.2. Содержание тяжелых металлов в растениях рапса, их накопление и распределение по органам.73

3.3. Качество урожая семян рапса.

3.4. Вариабельность морфофизиологических показателей при действии тяжелых металлов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал сортов рапса на загрязненных тяжелыми металлами почвах"

Изучение поведения поллютантов, в том числе тяжелых металлов (ТМ), в биосфере весьма актуально, поскольку они представляют серьезную экологическую проблему. Среди химических элементов ТМ являются наиболее токсичными, так как обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям и способны инактивировать последние, а также могут накапливаться в организме, вызывая явно выраженное не только специфическое, но и хроническое действие. Тяжелые металлы ингибируют фотосинтез, нарушают минеральное питание, тормозят рост, изменяюI водный баланс и гормональный статус растений (Серегин, Иванов, 2001; Титов и др., 2007; 81еагп1з е1 а1., 2006).

Площади загрязненных почв на территории России выше ПДК тяжелыми металлами составляют: хромом 1,7, медью — 1,3, никелем — 0,8, свинцом - 0,7, кадмием - 0,26, цинком - 0,11% и имеют тенденцию к увеличению. Согласно результатам обследования сельскохозяйственных угодий, загрязнение почвы тяжелыми металлами происходит прежде всего на полях вокруг промышленных центров цветной и чёрной металлургии, предприятий химической и электрохимической промышленности, машиностроения, энергетики и других зон повышенного техногенного воздействия на окружающую среду. За пределами промышленных зон основные источники поступления ТМ в почву - транспорт, осадки и удобрения.

Почвы промышленных зон подвергаются наиболее мощному техногенному прессу. При этом даже среднее значение показателя загрязнения отвечает опасному уровню. Так, почвы санитарно-защитных полос металлургических предприятий г. Тула характеризуются превышением ПДК по содержанию ряда ТМ: Мп (в 4,7 раза), N1 (в 1,2 раза), РЬ (в 1,5 раза), Ъп (в 2 раза) и Сс1 (в 6 раз) (Гарифзянов, 2010).

Наибольший вклад в загрязнение сельскохозяйственных почв вносят орошение сточными водами и осадки сточных вод (37,5-88,5%). В связи с этим неслучаен интерес к фиторемедиации - комплексу мероприятий, направленных на очистку окружающей среды (почвы и воды) от различных токсикантов с помощью растений. Используя эти приемы, можно проводить очистку территорий от многих видов загрязнения, включая тяжелые металлы.

Кроме того, на фоне нарастающего дефицита нефти поиск новых источников энергии становится все более актуальным. При этом особую значимость имеют альтернативные топлива из возобновляемых источников энергии - растительные масла, отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности, биомасса. Топливо, полученное из биомассы, легко разрушается биологическим путем, а баланс ССЬ при его использовании является нейтральным.

Кроме того, применение биотоплива в ряде случаев становится экономически выгодным, особенно в тех странах, где растительные масла имеются в избытке (Девянин и др., 2008). По состоянию на 2011 год в мире лишь около 2% потребностей удовлетворяется за счет биотоплива, а к 2050 году эта цифра по экспертным оценкам может подняться до 27%. Одним из перспективных источников биотоплива может быть рапс. По объемам производства маслосемян за последние 30 лет он переместился с пятого на третье место после сои и хлопчатника (Жолик, 2006).

В России сложились благоприятные условия для выращивания рапса и производства рапсового масла для биодизельного топлива. Агропромышленный комплекс страны расходует в среднем 4,8 млн. т дизельного топлива. Чтобы закрыть эту потребность, необходимо засевать рапсом до 12 млн. га при урожае семян 10 ц/га (Арутюнов, 2009), а на сегодня эти площади составляют лишь 0,8 млн. га (Новоселов и др., 2009). Стратегия внедрения топлив на основе рапсового масла в стране предусматривает к 2020 году постепенное вытеснение нефтяных дизельных топ лив топливами, получаемыми на основе рапсового масла (Девянин и др., 2008).

Представляет также практический интерес использование незагрязненного растительного масла для питания человека, а жмыха и шрота после отжима масла - в животноводстве (см. рис. 1). Однако при использовании биотоплива, полученного на загрязненных территориях, может возникнуть проблема вторичного загрязнения территории ТМ, образующимися при сгорании биотоплива.

В связи с вышеизложенным нами была сформулирована следующая цель: определить устойчивость к ТМ и фиторемедиационный потенциал растений рапса, а также возможность использования урожая семян, выращенного на загрязненных ТМ территориях, на пищевые, кормовые и технические цели.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выяснить способность растений ярового рапса аккумулировать РЬ, Cd и Zn в органах при различных уровнях искусственного загрязнения почвы этими металлами

2. Изучить действие ТМ на продуктивность растений и структуру урожая

3. Оценить характер влияния ТМ на содержание и выход масла, а также его жирнокислотный состав

4. Охарактеризовать фиторемедиационный потенциал сортов рапса с контрастным содержанием эруковой кислоты

Научная новизна. Впервые изучено действие кадмия, свинца и цинка при моновидовом загрязнении почвы на продуктивность, элементы структуры урожая рапса, а также выход масла с урожаем и его жирнокислотный состав. Показано, что ТМ не оказывают значимого эффекта на жирнокислотный состав масла, однако его использование на пищевые цели ограничено. В сравнительных исследованиях впервые оценивалась фиторемедиационная способность двух сортов, отличающихся содержанием эруковой кислоты. Показано, что рапс обладает хорошей способностью очищать почву от Ъа. По степени отрицательного влияния ТМ изучаемые показатели продуктивности и качества урожая располагались в следующий ряд в убывающей последовательности: выход масла с растения > масса семян > число семян с растения > коэффициент хозяйственной эффективности. Снижение выхода масла обусловлено главным образом уменьшением семенной продуктивности, определяемой преимущественно снижением числа семян с растения на фоне незначительного снижения содержания масла в семенах.

Практическая значимость работы. Экспериментально доказано, что рапс - перспективный вид для очистки почв, загрязненных Ъх\. Рапс способен давать урожай на умеренно и сильно загрязненных ТМ почвах. Полученный шрот можно использовать в качестве корма в животноводстве при дозах ТМ в почве: РЬ - до 100, Сс1 - до 1, Ъл - до 100 мг/кг почвы. Масло на пищевые цели можно применять при загрязнении почвы РЬ менее 100, Сс1 - менее 2, Zn - менее 200 мг/кг почвы а при большем - использовать в качестве биотоплива. При этом его жирнокислотный состав, в т.ч. содержание эруковой кислоты, при разных дозах-ТМ различается несущественно.

Апробация работы. Материалы данной работы были представлены на Межинститутском научном молодежном^ семинаре ИФР РАН «Актуальные проблемы физиологии, молекулярной биологии и биотехнологии растений» 20 мая 2010 года, 17-ом съезде Федерации европейского общества физиологов растений (РЕ8РВ, 4-9 июля 2010 года в Испании), Координационном совещании «Научное обеспечение отрасли рапсосеяния - состояние, проблемы и задачи на 2011-2015 гг.» 12-14 июля 2010 года (ВНИИ рапса, г. Липецк), Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» 9-12 ноября 2010 г (ИФР РАН), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов 23-24 апреля 2009г (РРАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева), Международной научно-практической конференции, посвященной 145-летию РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева «Адаптация сельского хозяйства России к меняющимся погодно-климатическим условиям» 7-10 декабря 2010 года.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ:

3. Вагун И.В., Кошкин Е.И. Связь жирнокислотного состава масла и фиторемедиационного потенциала генотипов рапса. / Тезисы докладов Всероссийского симпозиума «Растение и стресс» 09-12 ноября 2010 г. -Москва, 2010

4. Кошкин Е.И., Вагун И.В., Воловик В.Т., Коровина J1.M. Влияние загрязнения дерново-подзолистой почвы тяжелыми металлами на продуктивность ярового рапса. // Научное обеспечение отрасли рапсосеяния и пути реализации биологического потенциала рапса. - Научные доклады на международном координационном совещании. - Липецк, ГНУ ВНИИ рапса, 2010. - 280 с.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследований, изложения полученных результатов, обсуждения, заключения и выводов. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, включая 40 таблиц, 22 рисунка; библиография содержит 143 названия, из них 86 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Вагун, Илья Владимирович

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Среди изученных ТМ наибольшим коэффициентом выноса (до 4,5% от его содержания в почве) характеризовался Ъл, минимальным - РЬ (0,02%), а Сс1 занимал промежуточное положение (1,97%), заметно уступая Ъа. Сорт старой селекции Голден с высоким содержанием эруковой кислоты отличался меньшей эффективностью фиторемедиации, уступая современному сорту Подмосковный по выносу РЬ 43%, Сс1 54%, Ъъ 52%, что объясняется как меньшим накоплением биомассы, так и меньшей концентрацией ТМ в надземных органах растений.

2. Изменение показателей выноса и содержания ТМ' при действии РЬ и Ъп у обоих сортов имеет качественно схожий характер. Действие Сё приводит к существенному повышению его концентрации и выноса с листьями у сорта Подмосковный, а стеблем и корнями — у сорта Голден.

3. По способности концентрировать РЬ и Сс1 органы растений рапса располагаются в следующий ряд в убывающей последовательности: корни листья > стебли, наиболее заметно выраженный у сорта Подмосковный. Цинк концентрируется преимущественно в стебле и корнях, и меньше - в листьях, особенно у сорта Голден.

4. Семенная продуктивность и Кхш у сорта Подмосковный более устойчивы к действию РЬ, а сорта Голден — к Zn при схожей норме реакции обоих сортов на Сс1. Снижение семенной продуктивности, особенно при высоких дозах, обусловлено ингибированием развития корневой- системы, формирования листьев, синтеза пигментов, особенно каротиноидов.

5. По степени отрицательного влияния ТМ в дозах, снижающих семенную продуктивность на 50%, основные изучаемые показатели располагаются в следующий ряд в убывающей последовательности: выход масла с растения масса семян > число семян с растения > коэффициент хозяйственной эффективности. Снижение выхода масла с растения обусловлено главным образом уменьшением семенной продуктивности, определяемой преимущественно снижением числа семян с растения на фоне небольшого уменьшения содержания масла в семенах. Менее жесткий стресс, вызывающий 10-25% снижение семенной продуктивности, сохраняет характер ранжирования изучаемых показателей по степени отрицательного влияния ТМ, ослабляя лишь ее выраженность.

6. При загрязнении почвы РЬ в концентрации 100, Сс1 — 2, Zn - 200 мг/кг и более полученное рапсовое масло может быть использовано только на технические, но не пищевые цели.

7. Загрязнение РЬ, Сё и 2л\ в концентрациях, превышающих соответственно 100, 1 и 100 мг/кг почвы не позволяют использовать полученный рапсовый шрот при кормлении животных и птицы.

8. Содержание основных жирных кислот у сорта Подмосковный под действием ТМ изменяется несущественно (У= 1,92-6,65%) в отличие от сорта Голден (У=5,69-23,20%), что свидетельствует о значительном, хотя и незакономерном его изменении у последнего.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эффективность, очистки территорий растениями от загрязнения ТМ зависит от фиторемедиационного потенциала последних. Так как в ряде случаев наблюдается: комплексное загрязнение почв; представляют интерес металлофиты;, способные к накоплению нескольких металлов, либо смешанные посевы растений-аккумуляторов. В случае моновидового загрязнения цинком в качестве фиторемедиатора может использоваться рапс, обладающий' хорошим коэффициентом выноса этого металла (2,2-4,5%). При максимальном уровне загрязнения 7л\ его вынос с убираемой частью растения составлял 20-40 мг/раст, что соответствует 40-80 кг/га при густоте стояния 2,0 млн. раст/га. Такой высокий вынос объясняется значительным уровнем накопления Ъх\ в надземной биомассе (—3000 мг/кг) и величиной последней (7-13 г/раст). Потенциал выноса растениями рапса Сс1 (0,07 мг/раст) и особенно РЬ (0,02 мг/раст) относительно низкий;: что; не дает оснований рекомендовать изученные сорта: рапса для очистки почв от этих металлов. Для этих целей перспективны . сорта и генетически модифицированные растения рапса, обладающие более высоким соотношением концентраций в побеге и корне (Спэреп е1 а1., 2006), повышенной устойчивостью» к ТМ, а также озимые формы, накапливающие большую надземную биомассу. Тем не менее, значительное накопление ТМ в корнях снижает эффективность очистки почвы при уборке лишь надземной части растений. С другой стороны, неодинаковая барьерная функция корней двух сортов указывает на то, что у рапса могут быть линии, значительно ограничивающие перемещение ТМ в побег, что можно использовать для получения чистой от ТМ продукции. В >настоящее время ведется селекционная работа по подбору исходного материала И1 выведению сортов сельскохозяйственных культур, практически; не накапливающих ТМ в урожае: дайкон и салат (Солдатенко, 2005; Сапрыкин, 2007), мягкая пшеница (Сальва, 2011) и ряда других.

По способности концентрировать РЬ и Cd органы растений рапса располагаются в следующий ряд в убывающей последовательности: корни > листья > стебли, а цинк концентрируется преимущественно в стебле и корнях, и немного меньше - в листьях. Способность капустных значительно концентрировать цинк, в отличие от кадмия и свинца, отмечена многими авторами. Механизмы, благодаря которым происходит преимущественное накопление одних тяжелых металлов у разных растений полностью не изучены. Вероятно, это связано со скоростями поступления. ТМ в корень, их перемещением в побег и утилизацией в органах. Действительно, растения рапса значительно лучше поглощали кадмий и цинк, в отличие от свинца, доступность которого для растений мала. Кроме того, соотношение концентраций ТМ в побеге и корне указывает на то, что цинк хорошо поступает в стебель, кадмий — хуже, а поступление свинца сильно ограничено корнем, в котором он активно связывается с клеточными стенками. Хотя поступление кадмия в растение и ограничено, при высоких концентрациях барьерная*функция,корней ослабевает, и он по стеблю поступает в листья, где локализуется в мезофилле листа (Carrier, 2003). Цинк — метаболически активный микроэлемент, хорошо транспортируется в надземную сферу при высоких концентрациях, что связано с аккумулирующей способностью рапса в отношении этого тяжелого металла. Важно, что цинк не считается сильно фитотоксичным ТМ. Кроме этого, в растениях функционируют механизмы защиты от токсичного действия ТМ, суть которых сводится к утилизации ТМ в специализированные органы (трихомы), связыванию ТМ в нетоксичные комплексы, их транспорте в вакуоль, либо отложении в клеточной стенке. Вероятно, у рапса особенно развиты механизмы дегоксикации цинка, что позволяет значительно концентрировать этот элемент.

Одной из важных характеристик рапса, отличающей его от других фиторемедиаторов (ярутки горной, арабидопсиса и др.), является его способность давать хозяйственно ценный урожай семян. Полученное на слабозагрязненной почве масло можно использовать на пищевые ([РЬ] < 100 мг/кг, [Сс1] < 1 мг/кг, < 100 мг/кг), а жмых - на кормовые ([РЬ] < 100 мг/кг, [Сс1] < 2 мг/кг, \7л\] < 200 мг/кг) цели. Возможно, что рафинация масла даст возможность использования на пищевые цели и более загрязненного масла, так как по ходу технологического процесса наблюдается снижение содержания отдельных ТМ (Владимирский и др., 2005; Оаггасц е1 а1., 2004).

При большем уровне загрязнения полученное рапсовое масло пригодно лишь для получения биотоплива, причем незначительное изменение жирнокислотного состава не ухудшает его качество. В этом случае рекомендуется возделывать высокоэруковые сорта, поскольку полученное масло не высыхает и обладает повышенной теплоемкостью. Отходы, остающиеся при уборке рапса (брикетированная солома) могут использоваться в качестве печного топлива (биотопливо второго поколения).

Сохранение массы 1000 семян на довольно высоком уровне при высоких дозах ТМ - важное биологическое свойство растений рапса. Такие семена жизнеспособны и могут быть использованы для пересева. Поскольку снижение семенной продуктивности единичного растения происходит в основном из-за уменьшения числа семян, урожайность можно повысить приемами, ориентированными на стимулирование развития семяпочек, например азотными удобрениями, либо выращиванием альтернативного сорта. Так, семенная продуктивность сорта Подмосковный более устойчива к действию РЬ, а сорта Голден - к при схожей норме реакции обоих сортов на С±

Несмотря на высокую толерантность рапса к загрязнению и сохранению массы 1000 семян, другие элементы структуры урожая - число семян с растения, а также число стручков и их обсемененность, значительно угнетались. Снижение семенной продуктивности объясняется уменьшением фотосинтетического потенциала, то есть обусловлено как снижением площади листьев, так и снижением содержания фотосинтетических пигментов. Однако даже при максимальных дозах ТМ соотношение зеленых пигментов было относительно постоянным, что важно для поддержания максимально возможного уровня фотосинтеза, так как часть запасенной энергии расходуется и на детоксикацию.

Дальнейшее развитие фиторемедиационных технологий, наряду с поиском и совершенствованием растений-фиторемедиаторов, лежит в области проектирования оптимального для этих целей посева (норма посева, видовой состав, место в севообороте), повышении его потенциала (удобрения, стимуляторы накопления), технике уборки и использования биомассы.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Вагун, Илья Владимирович, Москва

1. Александрова Э. А., Гайдукова Н. Г., Кошеленко Н. А., Ткаченко 3. Н. Тяжелые металлы в почвах и растениях и их аналитический контроль. — Краснодар: КГАУ, 2001. С. 6-11.

2. Андреева И.В., Говорина В.В., Виноградова С.Б., Ягодин Б.А. Никель в растениях//Агрохимия. 2001. №3. С. 82-94.

3. Андриевская Л. П. Подбор и агроэкологическая оценка сельскохозяйственных культур на способность снижать содержание тяжелых металлов в почве // Поволжский экологический вестник. Вып. 5. Волгоград: изд-во ВолГУ, 1998. - С. 372.

4. Арутюнов A.J1. Производство и применение биотоплива в сельском хозяйстве России // Научные труды: Институт народохозяйственного прогнозирования РАН. 2009. №7. С. 722-734.

5. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.

6. Баргальи Р. Биогеохимия наземных растений. Экофизиологический подход к биомониторингу и биовосстановлению // М.: Геос, 2005. С. 205.

7. Бекиш Л.П., Дубовская А.Г. Белогорка. Методология селекции ярового раса для северо-запада России. ГНУ Ленинградский НИИСХ «Белогорка» Россельхозакадемии, 2010. 24 с.

8. И. Владимирский П.В., Ливийская С.А., Данильчук В.П., Паронян В.Х. Атомно-абсорбционный спектральный анализ содержания металлов в растительных масла // Масложировая промышленность. 2005. №5. С. 26-27.

9. Вяйзенен Г., Абрамов В., Савин В., Стручков А., Будяну И., Кузнецова И. Контроль содержания тяжелых металлов и радионуклидов // Комбикормовая промышленность. 1995. №6. С. 16-17.

10. Гарифзянов А.Р. Системы антиоксидантной- защиты древесных растений в условиях техногенного стресса // Всероссийский симпозиум «Растение и стресс». Тезисы докладов. М.: типография Московской Федерации профсоюзов, 2010. С. 103-104.

11. Гармаш Е.В., Головко Т.К. Влияние кадмия на рост и дыхание ячменя при двух температурных режимах выращивания // Физиология растений. 2009. Т. 56. №3. С. 382-387.

12. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. М.: МГАУ, 2008. -340 с.

13. Джувеликян Х.А. Подвижные формы тяжелых металлов в черноземах незагрязненных ландшафтов // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. №1. 2005. С. 107-112.

14. Дубинина Ю.Ю., Дульцева Г.Г., Палесский C.B., Скубневская Г.И. Изучение химической природы защитной реакции растений наизбыточное содержание кадмия в почве // Экологическая химия. 2003. № 12(1). С. 41-46.

15. Егоркина Г.И., Бабич Т.В. Реакция мужского гаметофита культурных растений на загрязнение почвы тяжелыми металлами // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2008. №5. С. 2326.

16. Жидкова E.H. Отдаленная гибридизация в селекции рапса (Brassica napus L.): монография. Липецк: ЛГПУ, 2008. -163с.

17. Жолик Г.А. Особенности формирования урожая семян ярового и озимого рапса в зависимости от элементов технологии и факторов среды. Горки: БГСХА, 2006. 188 с.

18. Зубкова В.М., Демин В.А. Роль корней при поступлении тяжелых металлов в растения в условиях повышенной концентрации в почве // Доклады РАСХН. 2004. №1. С. 23-26.

19. Иванов Ю.В. Экспрессия генов ферментов биосинтеза полиаминов у галофитов и гликофитов при засолении и УФ-В облучении: автореф. дис. . канд. биол. наук: 03.00.12. М. 2008. 26 с.

20. Иванова Е.М., Холодова В.П. Взаимодействие меди и цинка при комплексном действии на растения рапса. // Всероссийский симпозиум «Растение и стресс». Тезисы докладов. М.: типография Московской

21. Федерации профсоюзов, 2010. С. 168-169.i

22. Иванова Е.М., Холодова В.П., Кузнецов Вл. В. Биологические эффекты высоких концентраций меди и цинка и характер их взаимодействия в растениях рапса// Физиология растений. 2010. Т. 57. №6. С. 864-873.

23. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989.-439 с.

24. Карпачев В.В. Рапс яровой. Основы селекции: монография. ВНИПТИ рапса - Липецк, 2008. - 236 с.

25. Кожевникова А. Д., Серегин И. В., Быстрова Е. И., Беляева А. И., Катаева М. Н., Иванов В. Б. Влияние нитратов свинца, никеля и стронция на деление и растяжение клеток корня кукурузы // Физиология растений. 2009. Т. 56. № 2. С. 268-277.

26. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник. М.: Дрофа, 2010.-638 с.

27. Кузнецова JI.M., Зубарева Е.Б. Влияние тяжелых металлов на урожай и качество пшеницы // Химия в сельском хозяйстве. 1997. №2. С. 36-37.

28. Маджугина Ю.Г., Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. Растения полигонов захоронения бытовых отходов мегаполисов как перспективные виды для фиторемедиации // Физиология растений. 2008. Т. 55. №3. С. 453463.

29. Медведев С.С. Физиология растений. СПб: изд-во Санкт-Петербургского университета, 2004. - 336 с.

30. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. -М.: Госагропром СССР, 1985. 269 с.

31. Низова Г.К., Дубовская А.Г. Биохимическое изучение ярового и озимого рапса из коллекции ВИР им. Н. И. Вавилова // Аграрная Россия. 2006. №6. 2006. С. 37-40.

32. Никонова Г.Н. Изменение посевных качеств и биохимического^состава семян рапса в процессе хранения // Обеспечение эффективного функционирования производственного потенциала АПК России в- условиях рыночных отношений. Воронеж, 1993. С. 119-120.

33. Новоселов Ю.К., Воловик В.Т., Рудоман В.В. Ресурсосберегающие технологические приемы возделывания ярового рапса и их экономическая эффективность // Кормопроизводство. 2009. №6. С. 1721.

34. Пилюк Я.Э. К биологии цветения и опыления рапса // Земледелие и растениеводство: сб. науч. тр. Минск: БелНИИЗК, 2002. - Вып. 38. С. 147-152.

35. Прасад М.Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами // Физиология растений. 2003, Т. 50, С. 764-780.

36. Радионов Н.В. Физиологические и молекулярные ответные реакции растений рапса: автореф. дис. . канд. биол. наук: 03.00.12. М.: ИФР, 2008.-25 с.

37. Радовня В.А. Яровой рапс перспективная масличная культура // Земледелие и растениеводство Белорусского Полесья. - Мозырь, 2000. С. 135-140.

38. Савенков В.П. Особенности изменений структуры урожайности рапса в зависимости от технологии его возделывания и погодных условий // Научные доклады на международном координационном совещании. -Липецк: ВНИИ рапса, 2010. С. 184-195.

39. Сает Ю.Е., Раевич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. -М.: Недра, 1990.-335 с.

40. Сальва Е.М.М. Получение биотехнологическими методами растений пшеницы, толерантных к ионам кадмия, и их физиологическая характеристика: автореф. дис. . канд. биол. наук.: 03.01.05. -М.: изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. 2011. 24с.

41. Серегин И. В., Кожевникова А. Д. Роль тканей корня и побега в транспорте и накоплении кадмия, свинца, никеля и стронция // Физиология растении. 2008. Т. 55. № 1. С. 3-26.

42. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. 2001. Т. 48. С. 606-630.

43. Сискевич Ю.И., Никонова Г.Н. Использование рапса ярового в качестве фитомелиоранта // АГРО XXI. 2008. №4. С. 67-69

44. Смирнова М.А. Перспективы комплексного использования рапса. // Международный сельскохоз. журнал. 1996. С. 50-52

45. Соколов O.A., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 1. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1999. -164 с.

46. Солдатенко А.В. Подбор сортов, методы селекции салата с минимальным накоплением радионуклидов; технологические снособы снижения их содержания в продукции: автореф. дис. канд. сельскохоз. наук: 06.01.05, 06.01.06. М. 2005. 24 с.

47. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам. Петрозаводск: КарНЦ, 2007. - 172 с.

48. Торшин С.П. Влияние естественных и антропогенных факторов на формирование микроэлементного состава продукции растениеводства: автореф. дис. доктора биол. наук.: 03.00.16, 06.01.04. М.: изд-во МСХА имени К.А. Тимирязева. 1998. 32 с.

49. Черных Н.А., Милащенко Н.З., Ладонин В.Ф. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами. — Пущино: ОНТИ1. ПНЦ РАН, 2001,- 148 с.

50. Шевякова Н.И., Кузнецов В.В., Карпачевский Л.О. Причины и механизмы гибели зеленых насаждений при действии техногенных факторов городской среды и создание стресс-устойчивых фитоценозов //Лесной вестник. 2000. № 6(15). С. 25-33.

51. Almas A.R., Singh B.R. Plant uptake of cadmium-109 and zinc-65 at different temperatures and organic matter levels // Journal of Environmental Quality. 2001. Vol. 30 (3). P. 869-877.

52. Angelova V., Ivanova R., Ivanov K. Heavy metal accumulation and distribution in oil crops // Communications in soil science and plant analysis. 2004. Vol. 35. № 17. P. 2551-2566.

53. Angelova V., Ivanova R., Ivanov K. Bioaccumulation and distribution of heavy metals in maize, oat and sorghum plants, grown in industrially polluted region // Geophysical research abstracts. 2010. Vol. 12. P. 201

54. Antosiewicz D.M. Adaptation of plants to an environment polluted with heavy metals // Acta societatis botanicorum poloniae. 1992. Vol. 61. P. 2811-919.

55. Arao T., Ishikawa S. Genotypic differences in cadmium concentration and distribution of soybean and rice // JARQ. 2006. № 40 (1). P. 21-30.

56. Ashour E.H., El-Mergawi R.A., Radwan S.M.A. Efficacy of Pseudomonas to phytoremediate nickel by canola (Brassica napus L.) // Journal of applied science research. 2006. Vol. 2. №7. P. 375-382.

57. Baker A.J.M. Accumulators and excluders strategies in the response of plants to heavy metals // Journal of plant nutrition. 1981. J\T°3. P. 643-654.

58. Baker A.J.M., Reeves R.D., Hajar A.S.H. Heavy metal accumulation and tolerance in british populations of the metallophyte Thlaspi caerulescens J. and C. Press (Brassicaceae) // New Phytol. 1994. V. 127. P. 61-68.

59. Balik J., Pavlikova D., Tlustos P., Cerny J., Jakl M. The fluctuation of copper content in the oilseed rape plants (Brassica napus L.) after the application of nitrogen and sulphur fertilizers // Plant soil environ. 2007. № 53(4). P. 143-148.

60. Basta N. T., Gradwohl R., Snethen K. L., Schroder J. L. Chemical immobilization of lead, zinc, and cadmium in smelter-contaminated soils using biosolids and rock phosphate // J. Environ. Qual. 2001. № 30. P. 1222-1230

61. Bowles D. Oil crop platforms for industrial uses. 2007. CNAP, University of York. 149 p.

62. Broadley M.R., White P.J., Hammond J.P., Zelko I., Lux A. Zinc in plants // New Phytologist. 2007 . Vol. 173. P. 677-702.

63. Brooks, R.R. General introduction. Plants that hyperaccumulate heavy metals: their role in phytoremediation, microbiology, archaeology, mineral exploration and phytomining // CAB International. 1998. P. 1-14.

64. Brown S.L., Chaney R. L., Angle J.S., Baker A.J.M. Phytoremediation potential of Thlaspi caerulescens and bladder campion for zinc- and cadmium-contaminated soil //J. Environ. Qual. 1994. № 23. P. 1151-1157.

65. Carrier P., Baryla A., Havaux M. Cadmium distribution and microlocalization in oilseed rape (Brassica napus) after long-term growth on cadmium-contaminated soil // Planta. 2003. Vol. 216, №6. P. 939-950.

66. Cobbett C., Goldsbrough P. Phytochelatins and metallothioneins: roles in heavy metal detoxification and homeostasis // Annu Rev Plant Bio. 2002. № 53. P. 159-182

67. Cosio C. Phytoextraction of heavy metal by hyperaccumulating and non hyperaccumulating plants: comparison of cadmium uptake and storage mechanisms in the plants // EPFL. 2004. 120 p.

68. Cosio C., Martinoia E., Keller C. Hyperaccumulation of cadmium and zinc in Thlaspi caerulescens and Arabidopsis halleri at the leaf cellular level // Plant Physiology. 2004. V. 134. P. 716-725.

69. Cunningham S.D., Berti W.R., Huang J.W. Phytoremediation of contaminated soils 11 Trends Biotech. 1995. № 13. P. 393-397.

70. Cunningham S.D., Shann J.R., Crowley D.E., Anderson T.A. Phytoremediation of contaminated water and soil // ACS symposium series. 1997. P. 2-19.

71. Darracq S., Bernhard-Bitaud C., Bourrie B., Evrard J., Burghart P., Pages X., Lacoste F. Heavy metals transfer from soil to rapeseed oil // Sustainable organic waste management for enviromental protection and food safety. 2004. P 61-64.

72. De Knecht J.A., Koevoets P.L.M., Verkleij J.A.C., Ernst W.H.O. Evidence against a role for phytochelatins in naturally selected increased tolerance in Silene vulgaris (Moench.) Garke // New Phytol. 1992. № 122. P. 681-688.

73. Dewil R., Baeyens J., Appels L. Enhancing the use of waste activated sludge as bio-fuel through selectively reducing its heavy metal content // Journal of hazardous materials. 2007. № 144 (3). P. 703-707.

74. Ebbs S., Lasat M., Brady D.J., Cornish J., Gordon R., Kochian L.V. Phytoextraction of cadmium and zinc from a contaminated soil // J. Environ Qual. 1997. № 26. P. 1424-1430.

75. Ebbs S.D., Kochian L.V. Toxicity of zinc and copper to Brassica species: implication for phytoremediation // Journal of environmental quality. 1997. №26. P. 776-781.

76. Ensley B.D. Rational for use of phytoremediation // Phytoremediation of toxic metals using plants to clean-up the environment. 2000. P. 3-12.

77. Fayyaz-ul-Hassan, Ali H., Akhtar M.C., Manaf A. Effects of environmental variation on oil content and fatty acid composition of canola cultivars // Journal of research (Science). 2005. Vol. 16. №2. P. 65-72.

78. Greger M., Lofstedt M. Comparison of uptake and distribution of cadmium in different cultivars of bread and durum wheat // Crop Science. 2004. Vol, 44. P. 501-507.

79. Grispen V.M.J., Nelissen H.J.M., Verkleij J.A.C.' Phytoextraction with Brassica napus L.: a tool for sustainable management of heavy metal contaminated soils // Environmental pollution XX. 2006. P. 1-7.

80. Gupta U.C., Gupta S.C. Trace element toxicity relationships to crop production and livestock and human health: implications for management // Commun Soil Sci Plant Anal. 1998. № 29. P. 1491-1522.

81. Hamlin R.L. Phytoremediation literature review // Environmental awareness in the United States. 2002. P. 1-31.

82. Henry J. R. An overview of the phytoremediation of lead and mercury // National network of environmental management studies. 2000. P. 1-51.

83. Hocking P.J., Kirkegaard J.A., Angus J.F., Gibson A.H., Koetz E.A. Comparison, of canola, Indian mustard and linola in two contrasting environments // Field Crop Research. 1997. №49 (2). P. 107-125.

84. Howden R., Goldsbrough P.B., Andersen C.R., Cobbett C.S. Cadmium-sensitive, cadi mutants of Arabidopsis thaliana are phytochelatin deficient // Plant Physiology. 1995. V.107. P.1059-1066.

85. Huang J., Chen J., Berti W., Cunningham S. Phytoremediation of lead-contaminated soils: Role of synthetic chelates in lead phytoextraction // Environ Sci Technol. 1997. № 31. P. 800-805.

86. Huang J.W., Cunningham S.D. Lead phytoextraction: species variation in lead uptake and translocation // New Phytol. 1996. № 134. P. 75-84.

87. Kastori R., Plesniar M., Sakac Z., Pankovic D., Arsenijevi-Maksimovic I. Effect of excess lead on sunflower growth and photosynthesis // Journal of Plant Nutrition. 1998. Vol. 21. № 1. P. 75-85.

88. Keller C., Hammer D., Kayser A., Richner W., Brodbeck M., Sennhauser M. Root development and heavy metal phytoextraction efficiency: comparison of different plant species in the field // Plant and Soil. 2003. № 249. P. 6781.

89. Korenovska M., Polacekova A. Metal contents in rapeseeds and sunflower seeds in 1994-1996 // Bulletin of Food Research. 1996. № 37(3). P. 197-203.

90. Kos B., Grcman H., Lestan D. Phytoextraction of lead, zinc and cadmium from soil by selected plants // Plant Soil Environ. 2003. № 49 (12). P. 548553.

91. Kumar P.B.A.N., Dushenkov V., Motto H., Raskin I. Phytoextraction: the use of plants to remove heavy metals from soils // Environ. Sci. Technol. 1995. №29. P. 1232-1238.

92. Kupper H., Lombi E., Zhao F.J., McGrath S.P. Cellular compartmentation of cadmium and zinc in relation to other elements in the hyperaccumulator Arabidopsis halleri // Planta. 2000. № 212. P. 75-84.

93. Lasat M.M. Phytoextraction of metals from contaminated soil: a review of plant/soil/metal interaction and assessment of pertinent agronomic issues // Journal of Hazardous Substance Research. 2000. Vol. 2. P. 1-25.

94. Lasat M.M. Phytoextraction of toxic metals: a review of biological mechanisms // J. Environ. Qual. 2002. № 31. P. 109-120.

95. Macnair M.R., Bert V., Huitson S.B., Saumitou-Laprade P., Pedt D. Zinc tolerance and hyperaccumulation are genetically independent characters // Proc. R. Soc. 1999. Vol. 226. P. 2175-2179.

96. Malone G., Koeppe D. E., Milter R. J., Localization of lead accumulated by corn plants // Plant Physiol. 1974. № 53. P. 388.

97. Mathe-Gaspar G., Atila A. Study of phytoremediation by use of willow and rape // Acta Biologica Szegediensis. 2005. Vol. 49 (1-2). P. 73-74

98. McBride M.B. Environmental chemistry of soils // Oxford University Press, NY. 1994. P. 336-337.

99. McCartney C.A., Scarth R., McVetty P.B.E., Daun J.K. Genotypic and environmental effects of canola grown in Manitoba // Canadian journal of plant science. 2004. Vol. 84. № 3. P. 749-756.

100. McVetty P.B.E., R. Scarth, S.R. Rimmer. MillenniUM 01 high erucic, low glucosinolate summer rape // Can. J. Plant Sci. 1999. № 79. P. 251-252.

101. McVetty P.B.E., Rimmer S.R., Scarth R. Castor high erucic, low glucosinolate summer rape // Can. J. Plant Sci. 1998. № 78. P. 305-306.

102. Peer W.A., Baxter I. R., Richards E. L., Freeman J. L., Murphy A. S. Phytoremediation and hyperaccumulator plants // Topics in Current Genetics. 2006. Vol. 14. P. 299-340.

103. Puschenreiter M., Horak O., Friesl W., Hartl W. Low-cost agricultural measures to reduce heavy metal transfer into the food chain a review // Plant Soil Environ. 2005. № 51 (1). P. 1 -11.

104. Reeves R.D., Baker A.J.M. Metal-accumulating plants // Phytoremediation of toxic metals: using plants to clean up the environment. 2000. P. 193-229.

105. Reichman S.M. The Responses of Plants to Metal Toxicity: A review focusing on copper, manganese and zinc // Australian Minerals & Energy Environment Foundation. 2002. 54 p.

106. Robinson B., Fernandez J., Madejon P., Maranon T., Jose M., Green S., Clothier B. Phytoextraction: an assessment of biogeochemical and economic viability // Plant and Soil. 2003. № 249. P. 117-125.

107. Roosens N.H.C.J., Willems G., Saumitou-Laprade P. Using Arabidopsis to explore zinc tolerance and hyperaccumulation // Trends in Plant Sci. 2008. Vol. 13. №5. P. 208-215.

108. Rossi G., Figliolia A., Socciarelli S., Pennelli B. Capability of Brassica napus to accumulate cadmium, zinc and copper from soil // Acta Biotechnol. 2002. №22. P. 133-140.

109. Rout G.R., Das P. Effect of metal toxicity on plant growth and metabolism // Agronomie. 2003. Vol. 23. P. 3-11.

110. Salt D.E., Blaylock M., Kumar P.B.A.N., Dushenkov V., Ensley B.D., Chet I., Raskin I. Phytoremediation: A novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants // Biotechnology. 1995a. № 13. P. 468-475.

111. Salt D.E., Prince R.C., Baker A.M.J., Raskin I., Pickering I.J. Zinc ligands in the metal hyperaccumulator Thlaspi caerulescens as determined using X-ray absorption spectroscopy // Environ. Sci. Technol. 1999. № 33. P. 713-717.

112. Salt D.E., Prince R.C., Pickering I.J., Raskin I. Mechanism of cadmium mobility and accumulation in Indian mustard // Plant Physiol. 1995b. № 109.V1. P. 1427-1433.

113. Salt D.E., Smith R.D., Raskin I. Phytoremediation // Annu. Rev. Plant Physiol Plant Mol. Biol. 1998. Vol. 49. P. 643-668.j

114. Shan S., Fan Z., Lv X., Yang Z., Wan S. Effects of cadmium treatment on seed quality and yield of different peanut (Arachis hypogaea L.) genotypes // Journal of Agricultural Science and Technology. 2009. № 11(3). P. 102-108.

115. Shtangeeva I., Laiho J., Kahelin H. and Gobran G. Improvement of phytoremediation effects with help of different fertilizers // Soil Sci. Plant Nutr. 2004. № 50(6). P. 885-889.

116. Shuhua R., Jianping X., Dechun S. Rhizosphere cadmium speciation and mechanisms of cadmium tolerance in different oilseed rape species // Journal of plant nutrition. 2006. Vol. 29. №5. P. 921-932.

117. Stearnts J.C., Shah S., Glick B.R. Increasing plant tolerance to metals in the environment// Phytoremediation: Methods and Reviews. 2006. P. 15-26.

118. Stefanov K., Seizova K., Yanishlieva N., Marinova E., Popov S. // Accumulation of lead, zinc and cadmium in plant seeds growing in metalliferous habitats in Bulgaria // Food Chemistry. 1995. Vol. 54. № 3. P. 311-313.

119. Turan M., Esringu A. Phytoremediation based on canola (Brassica napus L.) and Indian mustard (Brassica juncea L.) planted on spiked- soil by aliquot amount of Cd, Cu, Pb, and Zn // Plant;Soil Environ. 2007: Vol. 53. №1. P. 715.

120. Vassilev A. Physiological and agroecological aspects of cadmium interactions with barley plants: an overview // Journal of Central European Agriculture. 2002. Vol.4. №1,.P. 65-76.

121. Vollmann J., Rajcan I. Oil crops // Springer. 2009. 500 p.

122. Wang Q.-R., Liu X.-M., Cui Y.-S., Dong Y.-T., Christie- P. Responses of legume and non-legume crop species, to heavy metals in soils with multiple metal contamination // J. Environ. Sci. Health. 2002. № 37(4). P. 611-621.

123. Waughman G.J:, Kookorinis E., Bellamy D.J. Influences of climate and heavy metal concentrations in the soil on plants of grassland and glush vegetation in upper teesdale //Journal of Ecology. 1983. № 71. P. 177-187.'

124. Wei Z., Wong J. W., Hong F., Zhao H., Li H., Hu F. Determination of inorganic and organic anions in xylem saps; of two contrasting oilseed rape

125. Brassica juncea L.) varieties: roles of anions in long-distance transport of cadmium // Microchemical Journal. 2007. Vol. 86, № 1. P. 53-59.

126. Willey N. Phytoremediation. Methods and reviews // University of the West of England, Bristol, UK. 2007. 516 p.

127. Wilson D. O., Cline J. F., Removal of plutonium-239, tungsten-185, and lead-210 from soils //Nature. 1966. № 209. P. 941.

128. Xin Y.Z., Qing L.S. Influence of compound pollution of heavy metals on rape // Journal of Hebei Agricultural University. 2000 Vol. 23. № 3. P. 2730.

Информация о работе

Вагун, Илья Владимирович
кандидата биологических наук
Москва, 2010
ВАК 03.01.05

Диссертация

Продукционный процесс и фиторемедиационный потенциал сортов рапса на загрязненных тяжелыми металлами почвах - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы