Сельскохозяйственная биология, 2008, № 5, с. 28-32.

УДК 633.111«321»:631.524:631.8:632.15

ГЕНОТОКСИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КАДМИЯ И СВИНЦА И МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ГУМАТА КАЛИЯ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ПШЕНИЦЫ В ПОЧВЕ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Н.С. СТЕПАНЧИКОВА, Л.Н. УЛЬЯНЕНКО, А.С. ФИЛИПАС, С.В. КРУГЛОВ

В вегетационном опыте изучали фито- и генотоксическое действие Cd и Pb на растения пшеницы сорта Воронежская 6. Оценивали возможность применения гумата калия, используемого при предпосевной обработке семян, для уменьшения негативного влияния повышенного содержания тяжелых металлов в почве.

Ключевые слова: пшеница, тяжелые металлы, загрязнение почвы, Сd, Pb, фито- и генотоксичность, регуляторы роста растений, гумат калия.

В зависимости от природы техногенных факторов их влияние на агроэкосистемы может осуществляться как непосредственно, так и за счет миграции загрязняющих веществ по сельскохозяйственным цепочкам (1). В связи с этим особое значение приобретает проблема оценки возможных последствий возрастающей техногенной нагрузки, в частности действия тяжелых металлов, среди которых высоким генотоксическим эффектом обладают соединения Cd и Pb.

Известно, что использование регуляторов роста для инкрустации семян зерновых культур перед посевом при выращивании на почвах, загрязненных радионуклидами и тяжелыми металлами, улучшает развитие корневой системы, ускоряет рост и развитие, увеличивает урожайность и обеспечивает снижение перехода токсикантов в хозяйственно полезную часть растений (2).

Целью работы было изучение генотоксичности повышенного содержания Cd и Pb при выращивании пшеницы на загрязненной металлами почве, а также модификации этих эффектов за счет использования биологически активных веществ.

Методика. Объектом исследования служили растения яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum) сорта Воронежская 6, выращиваемые в вегетационном опыте по общепринятой методике (3). Почва дерново-подзолистая, среднесуглинистая с нейтральной реакцией солевой вытяжки, низким содержанием гумуса (1,1 %) и невысокой емкостью катионного обмена; по количеству обменного калия обеспеченность очень высокая, фосфора — средняя (соответственно 126±10 и 67±11 мг/кг почвы) (4). Вместимость вегетационного сосуда — 4,5 кг абсолютно сухой почвы.

Тяжелые металлы (ТМ) — Cd и Pb вносили при набивке сосудов почвой в виде азотнокислых солей. Pb(NO₃)₂ • 4H₂O хорошо растворим в воде и в процессе диссоциации выделяет анион NO^-3, который служит привычным источником азота и не оказывает какого-либо дополнительного воздействия на растения. Для того чтобы избежать влияния различий в анионах в почвенном растворе, соль кадмия также была выбрана в виде нитрата — Cd(NO₃)₂• 4H₂O.

Семена пшеницы перед посевом обрабатывали гуматом калия (коммерческое название препарата — Агроспей) (Россия) в дозе 0,6 мл/кг семян (5), а также (во всех вариантах опыта) фунгицидом Байтан универсал («Bayer CropScience», Германия) из расчета 2 кг/т (10 л рабочей жидкости на 1 т семян). Повторность опыта 4-кратная, плотность посева — 15 растений на сосуд.

Растения выращивали при температуре 18-20 °С в условиях постоянной влажности почвы (60 % ПВ), что контролировалось ежедневным взвешиванием сосудов. Размещение вегетационных сосудов меняли каждый день по единой схеме, чтобы обеспечить более равномерную освещенность. Через 2,5 мес после посева определяли основные показатели структуры урожая.

Анализ хромосомных аберраций проводили в интеркалярной меристеме конуса нарастания (6). Образцы верхушечной меристемы отбирали на этапе органогенеза V1 (начало выхода в трубку) и фиксировали в уксусном спирте (3:1). Исследовали ана-телофазы на временных давленых препаратах, окрашенных ацетоорсеином. Учитывали частоту клеток с хромосомными нарушениями и число аберраций на клетку (нагруженность клеток повреждениями). В каждом варианте просматривали 900-1500 ана-телофаз. Влияние тяжелых металлов и регулятора роста растений на цитогенетические характеристики оценивали по отклонению усредненных для варианта значений соответствующих показателей от их величин в контроле. Достоверность различий между вариантами устанавливали на основе парного двухвыборочного t-теста для средних или значений НСР.

Результаты. В опыте проанализировали действие разных сочетаний доз ТМ и предпосевной обработки семян регулятором роста (табл. 1).

Известно, что Pb и Cd относятся к веществам I класса опасности по классификации Международного комитета по проблемам окружающей среды (7). Cd — наиболее фитотоксичен и как химический аналог Zn способен участвовать в метаболических процессах (8-10). При выраженном фитотоксическом эффекте этот элемент в малых дозах может оказывать стимулирующее действие на рост и развитие растений. В наших опытах дозы Cd 30 и 50 мг/кг почвы равны приблизительно 15- и 20-кратным значениям ПДК для дерново-подзолистой почвы. Выращивание растений в почве с таким содержанием Cd приводило к статистически достоверному увеличению частоты аберрантных клеток по сравнению с контролем (соответственно в 1,6 и 1,8 раза) (табл. 2). Предпосевная обработка семян гуматом калия при выращивании растений в почве с повышенным содержанием Cd значительно (p < 0,05) снижала число хромосомных аберраций, приближая его к контрольным (фоновое содержание ТМ) величинам. Сравнительный анализ доверительных интервалов (ДИ) для значений доли аберрантных клеток показал, что при внесении в почву Cd в обеих дозах предпосевная инкрустация семян гуматом калия достоверно снижала степень цитогенетических повреждений (см. табл. 2).

Основной механизм токсичности Cd для растений связан с влиянием на активность ферментов и выражается, прежде всего, в ингибировании процессов фотосинтеза уже на ранних этапах онтогенеза (8, 9). Cd влияет на конформационное состояние и структуру мембран, вызывает их дезорганизацию. При этом происходит высвобождение липидов из мембран телакоидов и нарушение внутренней структуры гран. Аналогичные изменения сопровождают старение изолированных хлоропластов.

Pb менее интенсивно поглощается растениями, а буферная способность почв в отношении него выше, чем для Cd. Фитотоксический эффект Pb про-является при содержании, на 1-2 порядка и более превышающем токсические дозы Cd (10, 11). В варианте с загрязнением почвы Pb достоверное увеличение частоты аберрантных клеток установили лишь при дозе 750 мг/кг почвы (хотя и в варианте 200 мг/кг почвы наблюдали рост показателя в 1,4 раза по сравнению с контролем). Следует отметить, что регистрируемая доля цитогенетических повреждений оказалась непропорциональна увеличению содержания металла в почве: при дозе, превышающей первоначальную (200 мг/кг) более чем в 3 раза, частота хромосомных аберраций практически не изменялась (см. табл. 2). Такое своего рода «насыщение» характерно и для Cd, что подтверждают и другие исследователи (12).

Предпосевная обработка семян гуматом калия снижала отмеченные показатели в 1,5 раза, то есть практически до уровня контроля.
Нагруженность аберрантных клеток повреждениями оценивается как отношение общего числа аберраций к общему числу аберрантных клеток при анализируемой дозе или концентрации действующего агента и соответствует среднему числу аберраций, приходящихся на одну аберрантную клетку. При оценке величины этого показателя (табл. 3) установили, что она незначительно изменяется при выращивании растений в почве с повышенным содержанием ТМ, а также в варианте, когда для предпосевной обработки семян использовали гумат калия.

Результаты наблюдений за развитием растений (табл. 4) свидетельствуют о некоторой стимуляции ростовых процессов при выращивании в почве с фоновым содержанием ТМ после применения гумата калия, которая проявляется, начиная с фазы выхода в трубку (5 июня). Вместе с тем ни повышенные дозы Cd и Pb, ни использование гумата калия не привели к существенным изменениям высоты растений.

Анализ структуры урожая пшеницы при выращивании растений в почве с содержанием Cd и Pb соответственно 30 и 750 мг/кг (табл. 5) выявил отсутствие значимых изменений продуктивности культуры по вариантам опыта. Исключением стал вариант с использованием гумата калия на фоне загрязнения почвы Cd: вследствие влияния препарата на продуктивность подгонов здесь зарегистрировали снижение общей урожайности пшеницы. Отметим, что повышенное содержание в почве Cd и Pb также в большей степени отражалось на формировании продуктивности в подгонах и практически не влияло на продуктивность главного стебля.

Таким образом, предпосевная обработка семян яровой мягкой пшеницы гуматом калия не влияет на частоту спонтанных хромосомных нарушений при выращивании растений в почве с фоновым содержанием Cd и Pb. Использование гумата калия при последующем выращивании растений в почве с содержанием тяжелых металлов, многократно превышающем величину ПДК, способствует значительному снижению доли хромосомных аберраций, обусловленных генотоксичностью Cd и Pb. Несмотря на существенное увеличение числа хромосомных нарушений в интеркалярной меристеме конуса нарастания при выращивании растений в почве с высоким содержанием Cd и Pb, показатель нагруженности аберрантных клеток повреждениями сохраняет величину, характерную для варианта с фоновым содержанием тяжелых металлов в почве. Отмечено, что частота хромосомных нарушений в интеркалярной меристеме конуса и показатели, характеризующие фитотоксический эффект (скорость роста растений, формирование продуктивности) повышенного содержания Cd и Pb (в эксперименте 30 и 50 мг/кг для первого элемента и 200 и 750 мг/кг — для второго), изменялись непропорционально друг другу. Применение биологически активного соединения — регулятора роста гумата калия модифицирует влияние ТМ, снижая частоту хромосомных нарушений без уменьшения фитотоксического эффекта, что свидетельствует о различных механизмах фито- и генотоксичности солей тяжелых металлов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. А л е к с а х и н Р.М., У л ь я н е н к о Л.Н., Ф и л и п а с А.С. и др. Актуальные проблемы агроэкологии на техногенно загрязненных сельскохозяйственных угодьях. Сб. докл. Всерос. науч.-прак. конф. «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения агроэкосистем». Казань, 2001: 8-14.
2. У л ь я н е н к о Л.Н., К р у г л о в С.В., Л о й Н.Н. Снижение техногенной нагрузки на агроценозы в зоне радиоактивного загрязнения. Тез. докл. V Съезда по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность). М., 2006, т. 3: 49.
3. Ж у р б и ц к и й З.И. Теория и практика вегетационного метода. М., 1968.
4. Агрохимическая характеристика почв сельскохозяйственных угодий Российской Федерации (по состоянию на 1 января 2002 года). М., 2003.
5. Справочник пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. М., 2001.
6. П а у ш е в а З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1988.
7. О р л о в Д.С., М а л и н и н а М.С., М о т у з о в а Г.В. Химическое загрязнение почв и их охрана. М., 1991.
8. Б а р с у к о в а В.С. Физиолого-генетические аспекты устойчивости растений к тяжелым металлам (аналитический обзор). Сер. «Экология». Новосибирск, 1997, вып. 47.
9. М е л ь н и ч у к Ю.П. Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растений. Киев, 1990.
10. К а б а т а - П е н д и а с А., П е н д и а с Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989.
11. S a u e r b e c k D. Welche Schwermetallgehalte in Pflanzen durfen nicht uberschritten werden, um Wachstumsbeeintrachtigungen zu vermeiden. Landwirtschaftliche Forschung, Kongressband, 1982, 39: 108-129.
12. У д а л о в а А.А. Закономерности индукции генетических эффектов у сельскохозяйственных растений при комбинированном действии ионизирующих излучений и тяжелых металлов. Автореф. канд. дис. Обнинск, 1995.

GENOTOXIC Cd AND Pb EFFECTS AND MODIFYING POTASSIUM HUMATE INFLUENCE ON WHEAT GROWING ON SOIL POLLUTED BY HEAVY METALS

N.S. Stepanchikova, L.N. Ul’yanenko, A.S. Filipas, S.V. Kruglov

In vegetation experiment the phyto- and genotoxic Cd and Pb action on the wheat plants of the Voronezhskaya 6 variety was studied. The authors estimated the potassium humate application, which is using usually for a presowing treatment of wheat seeds, with a view to increase the influence of heightened content of heavy metals in a soil.

Key words: wheat, heavy metals, soil contamination, Cd, Pb, phyto- and genotoxic effects, plant growth regulators, potassium humate.

Оформление электронного оттиска