К.х.н Джигола Л.А., Сютова Е.А., Мартынова А.С., Мухталиева Р.Р., Шамсуарова Р.Р., Бейсова Р.Н.

Астраханский государственный университет, Россия

Исследование фитотоксического действия ионов Cа²⁺, Mg²⁺, Pb²⁺ и Fe³⁺ на биометрические показатели пшеницы

Среди многочисленных загрязнителей наиболее токсичными, после пестицидов, считаются тяжелые металлы. Установлено, что многие тяжелые металлы не являются необходимыми для жизнедеятельности растений, но они могут ими активно аккумулироваться и долго сохранять токсические свойства, оказывая тем самым длительное отрицательное действие, пролонгируемое по пищевым цепям. Источники поступления тяжёлых металлов в почву и окружающую среду различны: это промышленные отвалы, удобрения, химические средства защиты растений, выбросы транспорта и др. Действие этих источников в перспективе будет только усиливаться. Промышленное развитие нашей страны, богатой сырьевыми ресурсами, будет приводить к увеличению площадей земель, занятых промышленными отвалами. По данным Р. М. Алексахина в России площади почв, загрязненных тяжёлыми металлами составляют 3,6 млн. га. Также неизбежно увеличение внесения минеральных удобрений, применения средств защиты растений, выбросов промышленности и транспорта и т.п.

При естественной (фоновой) концентрации тяжелые металлы в почве прочно связанны с ее составными частями, труднодоступны для растений и не оказывают вредного воздействия, но как только условия позволяют тяжелым металлам перейти в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения.

Наиболее распространенными показателями, на основании которых проводят оценку токсичного действия загрязнителей, являются всхожесть семян, биомасса растений, длина корней [1]. Но одним из наиболее важных, на наш взгляд, признаков токсического воздействия на растения является резкое уменьшение содержания фотосинтетических пигментов (ФСП). Данное исследование посвящено изучению влияния тяжёлых металлов на фитопродуктивность тест-культуры – пшеницы, и сравнению общепринятых показателей токсического действия с предлагаемым нами – определением уменьшения содержания фотосинтетических пигментов.

При проведении лабораторных опытов «контактным методом» [2] использовались образцы почвы – универсальный питательный грунт «Огородник». Объектом исследования выбраны семена пшеницы. В каждый сосуд равномерно высаживали по 25 семян; глубина заделки семян пшеницы 15 мм. Количество повторов каждого варианта эксперимента – 3. Постановка опытов в лабораторных условиях осуществлялась при естественном освещении, при поддерживании влажности почвы на уровне 60 % от полной влагоёмкости. Для выравнивания условий освещения и нагревания местоположение вегетационных сосудов ежедневно меняли, варианты располагали беспорядочно. Учёт биомассы, длины и определение ФСП в растениях проводили на 30 день после появления всходов при регулярном угнетении роста растений водными растворами солей, содержащих 10^-3 моль/дм³ ионов железа (III), свинца (II), магния (II) и кальция (II).. Параллельно проводили аналогичные исследования контрольных образцов, которые поливали водой.

Выбор указанных ионов металлов обусловлен их биогенным и токсическим действием

Для выполнения определения содержания фотосинтетических пигментов навеску побегов пшеницы массой 1 г помещали в фарфоровую ступку, туда же добавляли 1 г хорошо промытого речного песка. Полученную смесь перетирали, после чего в фарфоровую ступку приливали 5 см³ петролейного эфира, при этом в органическую часть переходил β-к. Экстракт переносили в центрифужную пробирку доводили объем содержимого пробирки до 10 см³ петролейным эфиром. Смесь центрифугировали и течение 4-5 мин при 1500 об./мин, далее измеряли оптическую плотность экстракта при длине волны 450 нм в кювете толщиной 1 см относительно петролейного эфира. Центрифугат выливали из пробирки, а в нее вносили 10 см³ смеси петролейного эфира и этанола, в соотношении 1:1, смесь тщательно перемешивали, при этом в органический слой переходили хлорофиллы. Через 4-5 мин смесь центрифугировали, отбирали 1 см³ центрифугата и доводили до 10 см³ смесью гексана и этанола, в соотношении 1:1, и снова измеряли оптические плотности растворов при длинах волн 645 и 663 нм в кювете толщиной 1 см относительно смеси растворителей. Концентрации Chl_α, Chl_b и β-к определяли по формулам [3]:

Chl_α = 12,7·А₆₆₃ – 2,69·А₆₄₅ (мг/100 г);

Chl_b = 22,9·А₆₄₅ – 4,68·А₆₆₃ (мг/100 г);

m_β-к = 205,7·А₄₅₀ (мг/100 г).

Физико-химические характеристики контрольного и опытных образцов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние ионов Са²⁺, Mg²⁺ , Pb²⁺ , Fe³⁺ (С=10^-3 моль/дм³) на фитопродуктивность пшеницы, t_p = 2,57, Р = 0,95, n=6

ТМ	Длина корня, см	Масса корня, г	Длина побега, см	Масса побега, г	Содержание ФСП, мг в 100 г исходного образца
					Chla	Chlb	β-k
H2O
Са	5,3±0,4	0,18±0,02	16,44±0,13	0,22±0,01	7,56±0,62	5,67±0,4	49,82±0,8
Mg	3,93±0,3	0,66±0,08	26,16±3,92	0,47±0,03	2,48±0,004	1,43±0,002	487,3±42,3
Pb	8,33±0,8	0,52±0,07	45,21±6,69	3,56±0,39	1,61±0,09	1,12±0,18	519,1±17,9
Fe	4,3±0,4	0,24±0,03	36,62±5,09	0,77±0,09	7,79±0,46	2,21±0,27	745,6±70,9
Me
Са	3,75±0,3	0,11±0,01	7,50±0,52	0,09±0,01	4,83±0,08	2,58±0,11	36,9±0,4
Mg	4,33±0,5	0,37±0,04	27,36±4,19	0,57±0,07	2,08±0,05	0,96±0,08	418,2±46,4
Pb	3,76±0,3	0,16±0,01	38,34±5,67	0,81±0,11	2,48±0,34	4,85±0,79	438,7±28,3
Fe	4,45±0,5	0,31±0,04	37,14±5,79	1,03±0,14	5,26±0,18	1,43±0,15	511,5±61,4

Для оценки угнетающего действия данных ионов на рост и развитие тест-объекта – пшеницы по результатам исследований и расчётов (табл.1) определили относительный показатель – фитотоксический эффект (ФЭ, %) [4]. Он характеризует долю снижения биомассы и ФСП растений, выращенных при угнетении данными ионами, относительно контроля (табл.2).

Таблица 2. Фитотоксический эффект при угнетении ионами Са²⁺, Mg²⁺ , Pb²⁺ , Fe³⁺ биомассы и содержания ФСП пшеницы, ФЭ, %

ТМ	Фитотоксический эффект, ФЭ, %
	Длина корня, см	Масса корня, г	Длина побега, см	Масса побега, г	Chla	Chlb	β-k
Са	29,3	38,9	54,4	59,1	36,1	54,5	25,9
Mg	-10,2	43,9	-4,6	-21,3	16,1	32,9	14,2
Pb	54,9	69,2	15,2	77,2	-54,0	-3,3	15,5
Fe	-3,5	-29,2	-1,4	-33,8	32,5	35,3	31,4

Полученные результаты позволяют отметить, что вышеперечисленные показатели вызывают фитотоксическое действие на тест-культуру (пшеницу), т.к. превышают фитоэффект на 20% относительно контроля [5].

Исследования показали, что наиболее распространенный показатель- всхожесть семян, при оценке угнетающего действия металлов на рост пшеницы является недостаточным. Во всех случаях всхожесть семян составила более 95 % и не отличалась от контрольных [6].

Анализ полученных данных позволяет выявить следующую зависимость между угнетающим воздействием металлов и изменением биомассы пшеницы: при угнетении роста пшеницы ионами Са²⁺ и Pb²⁺ наблюдается ингибирование (табл.2) по таким показателям как длина, масса корня и побега, что вероятно связано с инактивацией ферментов роста растений. В корнях и побегах пшеницы происходит накопление ионов Mg²⁺ и Fe³⁺, что при данных концентрациях этих ионов оказывает стимулирующее действие роста корня и побега пшеницы.

Содержание ФСП: Chl_α, Chl_b и β-к значительно уменьшается при воздействии ионов Са²⁺, Mg²⁺ и Fe³⁺. Отрицательное воздействие ионов свинца проявляется в снижении содержания массы β-к, что вызывает увеличение содержания Chl_α – отсутствие наблюдаемого ФЭ. Образование металлорганических соединений влияет на биометрические показатели и содержание ФСП в тест-объекте, вследствие нарушения процесса фотосинтеза [7]. Наиболее острое токсическое действие оказывают ионы свинца.

Экспериментально установлено, что наиболее эффективным и статистически достоверным критерием является определение фотосинтетических пигментов (ФСП), что даёт основание рекомендовать в качестве основного показателя оценки фитотоксического действия тяжёлых металлов – уменьшение ФСП.

Литература

1. Насимов А.М. Биосорбция ионов свинца, кадмия и меди осадочными дрожжами / А.М. Насимов, С.Д. Аронбаев // Экологические системы и приборы. – 32. – 2011. – С.3-7.

2. ФР 1.39.2006.02264 «Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно-загрязнённых почв («контактным» методом)».

3. Алыков Н.Н., Алыков Н.М., Сютова Е.А. Влияние диоксида серы на содержание фотосинтетических пигментов в растениях. Издательский дом: «Астраханский университет», 2008. - 142 с.

4. Барсукова В.С. Физиолого-генетические аспекты устойчивости растений к тяжелым металлам: Аналит. обзор / СО РАН. ГПНТБ, Ин-т почвоведения и агрохимии.- Новосибирск, 1997. – 63 с.

5. МР 2.1.7.2297-07. «Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности».

6. Петров А.М. Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в светло-серых лесных почвах республики Татарстан / А.М. Петров, Р.Р. Шагидуллин, Э.Р. Зайнулгабидинов, Д.В. Иванов, О.Ю. Тарасов, Б.Р. Григорян // Экология и промышленность России. - №6. - 2011. – С.29-34.

7. Лебедев О.И. Физиология растений. М.: Колос, 1982. – 463с.