Сельскохозяйственная биология, 2010, № 6, с. 94-99.

УДК 633.2:574.24:631.45

ОЦЕНКА КОМПЛЕКСНОЙ ФИТОТОКСИЧНОСТИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТИРОВОЧНО ДОПУСТИМЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЛЯ ЦИНКА И МЕДИ

Е.А. ГЛАДКОВ

В лабораторных опытах на основании учета показателей всхожести, корнеобразования и роста у сельскохозяйственных и некоторых декоративных растений определяли фитотоксичность Zn, Cu, Cd и Pb как антропогенных экологических факторов при их воздействии по отдельности и совместно. Показано, что при совместном воздействии двух тяжелых металлов в неблагоприятных для растений дозах может происходить как усиление, так и ослабление токсического эффекта. Необходимо пересмотреть установленные ПДК ряда веществ в почве с учетом влияния токсикантов на растения, в частности для цинка этот показатель следует снизить до 60 мг/кг, для меди — до 30 мг/кг.

Ключевые слова: экологические факторы, ПДК, тяжелые металлы, засоление.

Известно, что при загрязнении антропогенных экосистем обычно отмечается присутствие нескольких токсикантов, причем их содержание часто превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК). Один из источников тяжелых металлов (ТМ) в агроэкосистемах — минеральные удобрения, в которых может находиться свинец, цинк, медь, кадмий и другие ТМ (1), однако даже очень длительное применение удобрений редко приводит к существенному увеличению количества ТМ в почве. В городских экосистемах основными поллютантами выступают цинк, медь, кадмий и свинец (2). Например, загрязнение почв свинцом, цинком и кадмием вблизи аэропорта Домодедово носит локальный характер и обусловлено влиянием автотранспорта, наличием полигонов твердых и бытовых отходов, очистных сооружений, торфоразработок (3). В почвах большинства агроэкосистем и населенных пунктов выявлены тяжелые металлы, даже небольшое количество которых отрицательно влияет на растения, ингибируя их рост и развитие, снижая урожайность и декоративные качества (1, 4). В водорастворимой и ионообменной форме тяжелые металлы легко поглощаются растениями, а затем передаются в экосистемах по пищевым цепям. В случае сельскохозяйственных и лекарственных растений это создает прямую угрозу для человека как конечного звена в таких цепях (4-8).

Следует отметить, что ПДК токсикантов для почв не полностью учитывают влияние этих веществ непосредственно на растения. При определении ПДК исходят из пороговых и максимально недействующих концентраций: для первых снижение показателей выживаемости, плодовитости и роста может составлять до 50 % (главным образом при длительности  опытов, соизмеримой с продолжительностью жизненного цикла объекта), для вторых — не более 25 % (в хронических экспериментах) (9).

Между поглощением элементов питания растением и поступлением тяжелых металлов из почвы наблюдается как положительная, так и отрицательная корреляция (10-12). Так, изучение круговорота микроэлементов при выращивании картофеля на загрязненной цинком, кадмием и свинцом почве показало, что присутствие свинца способствовало большему выносу цинка, кадмия и марганца, кадмий увеличивал накопление цинка растениями (на 6-20 г/га), а цинк — поглощение никеля (10).

Зона оптимума и пределы выносливости по отношению к какому-либо экологическому фактору (согласно закону их взаимодействия) у организмов могут смещаться в зависимости от силы и сочетания действующих одновременно с ним других факторов. Этот закон применим к классическим экологическим агентам (давление, температура и т.д.), однако неясно, сохраняется ли подобная закономерность для антропогенных факторов, то есть может ли происходить как усиление, так и ослабление неблагоприятного эффекта.

Нашей целью была оценка фитотоксичности экологических факторов для кормовых трав и растений, используемых в городском озеленении, а также определение ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) цинка и меди в городских почвах для растений, на основании которых можно установить ПДК этих металлов (валовое содержание).

Методика. Степень фитотоксичности оценивали при проращивании семян растений (полевица побегообразующая, или побегоносная, овсяница красная, брахикома иберисолистная, василек красный, клевер белый, клевер луговой, годеция низкорослая, мятлик луговой и др.) на фильтровальной бумаге в чашках Петри, а также при высеве в почву (pH 6,0-6,5, количество азота, фосфора и калия — соответственно 150, 250 и 300 мг/л), содержащую токсиканты. Контролем служили растения, выращиваемые в водном растворе или в почве без токсикантов. В почву соли тяжелых металлов вносили поливом. В качестве показателей фитотоксичности определяли всхожесть семян, а также ростовые показатели побегов и корней. Повторность каждого варианта опыта с использованием фильтровальной бумаги 4-кратная (по 100 семян в каждом варианте), почвенных опытов — 3-кратная.

Доверительный интервал рассчитывали с помощью t-критерия Стьюдента (надежность — 95 %).

Результаты. Ранее мы показали, что для растений фактические значения ПДК по цинку и меди в почве (в отличие от показателей по свинцу и кадмию) отличаются от общепринятых (2, 13). При установлении ОДК по цинку и меди для цветковых растений в опытах с проращиванием на фильтровальной бумаге необходимо учитывать всхожесть, рост и корнеобразование, при высеве в почву — всхожесть, рост и общий вид растения. Критериями при определении ОДК служило ингибирование по большинству показателей не более 25 %, а по корнеобразованию — отсутствие летального эффекта в отношении наиболее чувствительного вида.

 
Чувствительность к цинку (табл. 1) по основным показателям значительно различалась: существенное подавление всхожести семян проявлялось только при значениях выше ПДК (как в чашках Петри, так и в почве). Корневая система оказалась очень подверженной действию цинка: при концентрации 300 мг/л не образовывались корни у брахикомы иберисолистной и овсяницы красной, у других растений показатель роста корней составлял 14-26 % от контроля. При концентрации 100 мг/л почти у всех видов растений рост корней ингибировался более чем на 50 %. Особенно чувствительной к цинку была корневая система василька красного: через 4-6 сут практически летальное действие на корни (рост — 4 % от контроля) имела концентрация 80 мг/л. При концентрации 40 мг/л ингибирования роста побегов у изученных видов практически не отмечали. В варианте с выращиванием в почве цинк в дозе 40 мг/кг не влиял на растения, а ОДК равнялась 60 мг/кг. У клевера белого ингибирования ростовых показателей не происходило, у полевицы побегоносной и годеции низкорослой на 26-е сут отставание в росте не превышало 25 % (табл. 2). В чашках Петри при концентрации 60 мг/л показатели роста растений достигали более 75 %  от контрольных, рост корней через 4-6 сут у разных видов составлял 50-80 % от контроля. Исходя из полученных результатов, содержание цинка 60 мг/кг соответствует ОДК (см. табл. 1, 2), поскольку по влиянию на корнеобразование ни для одного из исследуемых растений эта доза не летальна, а по большинству остальных показателей ингибирование не превышает 25 % (максимальная недействующая концентрация).  

ОДК по меди в почве, по нашим данным, равняется 30 мг/кг. В чашках Петри при концентрации Сu 30 мг/л  рост побегов у исследуемых видов (полевица побегоносная, мятлик луговой, овсяница красная, брахикома иберисолистная, василек красный, клевер белый и луговой, годеция низкорослая) составлял 73-84 % от контроля. Медь в почвенных условиях в отличие от цинка оказывала существенное ингибирующие действие уже на 14-е сут после начала эксперимента. Для выращивания в почве доза 30 мг/кг оказалась максимальной недействующей концентрацией: по общему виду большинство растений не отличались от контрольных, ингибирование роста у полевицы побегоносной, брахикомы иберисолистной и годеции низкорослой через 14 сут после начала эксперимента не превышало 25 % (см. табл. 2). Через 1 мес токсичность меди для годеции увеличивалась, однако рост побегов составлял 75 % от контроля. У клевера белого подавления роста не отмечали.

При совместном внесении меди и цинка наблюдали некоторое усиление эффекта меди (табл. 3). Особенно высокой фитоксичностью медь обладала на 4-е сут после начала эксперимента; при концентрации Cu 100 мг/л всхожесть составляла 33 % от контроля, на 10-е сут — увеличивалась до 60 %. В почвенных условиях в вариантах с дозами ТМ (мг/кг почвы) Cu 30 + Zn 60; Cu 50 + Zn 100; Cu 75 + Zn 150 и Cu 100 + Zn 150 у полевицы побегоносной показатели роста растений составили соответственно 72±3,9; 65±4,8; 61±2,3 и 58±4,5 % от контроля, у брахикомы иберисолистной — соответственно 65±3,2; 58±3,7; 56±5,1 и 46±5,1 %. Подобная тенденция прослеживалась на годеции, клевере белом.

У брахикомы иберисолистной при выращивании в почве в присутствии меди и цинка наблюдали ослабление цветения: в варианте c дозами ТМ (мг/кг почвы) Cu 100 + Zn 200 число бутонов было в 2 раза меньше, чем при содержании меди 100 мг/кг без внесения цинка. Скорее всего, усиление токсического действия меди объясняется повышенным накоплением этого металла, так как цинк стимулирует поступление меди в растения. Синергическое действие цинка и меди, возможно, также определяется расположением этих элементов в соседних группах периодической системы. В то же время в литературе описан как синергизм, так и антагонизм при комплексном действии меди и цинка (например, антагонизм между цинком, кадмием и медью показан для некоторых беспозвоночных и растений) (14). Может происходить и снижение аккумуляции цинка, однако это в меньшей степени сказывается на растениях, поскольку цинк не так токсичен, как медь.

При изучении влияния кадмия и его сочетания с цинком отмечали, что при концентрации цинка 150 мг/л токсическое действие кадмия на некоторые виды (особенно на василек красный) уменьшалось (табл. 4, 5). Этот эффект также подтвердился на овсянице красной, фацелии и других растениях (данные не приведены). У клевера лугового и белого семена оказались менее чувствительными к кадмию, чем у василька красного.

По химическим свойствам цинк достаточно близок к кадмию, однако по биологическим (в том числе по токсичности) эти металлы значительно отличаются друг от друга. Данные по их комплексному воздействию весьма противоречивы — наблюдается как антагонистический, так и синергический эффект, а также отсутствие каких либо проявлений. Однако большинство авторов склоняются к признанию антогонистического взаимодействия, что показано на сельскохозяйственных и лекарственных растениях (5, 10-12). Возможно, наличие того или иного эффекта контролируется количественным соотношением кадмия и цинка в почве.

Значительное усиление токсического действия при совместном присутствии кадмия и свинца в среде мы наблюдали у исследуемых растений, особенно у брахикомы иберисолистной. Синергическое действие этих элементов, возможно, определяется тем, что они также находятся в соседних группах периодической системы.

Итак, при совместном воздействии двух тяжелых металлов (как антропогенных экологических факторов в агробиоценозах) в неблагоприятных для растений дозах может происходить как усиление, так и ослабление их токсического эффекта. Необходимо пересмотреть установленные ПДК ряда веществ в почве с учетом влияния токсикантов на растения, в частности для цинка этот показатель следует снизить до 60 мг/кг, для меди — до 30 мг/кг.
 

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. П р о н и н а  Н.Б. Экологические стрессы. М., 2000.
2. Г л а д к о в  Е.А.,  Г л а д к о в а  О.В. Оценка комплексного воздействия экологических факторов на городские растения. Сб. науч. тр. МГУИЭ, 2006: 96-101.
3. Г о л у б е в  С.В.,  Б е л о б р о в  В.П. Техногенное загрязнение почв в зоне влияния аэропорта «Домодедово». Агрохимический вест., 2007, 5: 26-28.
4. М а с л е н н и к о в а  А.И. Миграция тяжелых металлов в системе «почва—корм—продукция (молоко)» в условиях Средне-Волжского региона. Автореф. канд. дис. Ульяновск, 2006.
5. Г л а д к о в  Е.А.,  Г л а д к о в а  О.Н.,  Г л а д к о в а  О.В. Мир лекарственных растений. М., 2004.
6. Г л у ш е ц к а я  Л.С.,  Г л а д к о в  Е.А.,  Г л а д к о в а  О.Н.,  Г л а д к о в а  О.В. Основы физиологии, токсикологии и экологии человека. М., 2004.
7. Ч у р б а н о в  В.М. Микроудобрения. М., 1976.
8. К о в а л ь с к и й  В.В.,  Р а е ц к а я  Ю.И.,  Г р а ч е в а  Т.И. Микроэлементы в растениях и кормах. М., 1971.
9. Д м и т р и е в  В.В.,  Ф р у м и н  Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных экосистем. СПб, 2004.
10. З у б к о в а  В.М.,  З у б к о в  Н.В.,  Б о р и н а  Т.А. Биологический круговорот микроэлементов при выращивании картофеля на почве, загрязненной тяжелыми металлами. С.-х. биол., 2008, 1: 86-90.
11. К а б а т а - П е н д и а с  А. Микроэлементы в почвах и растениях (пер. с англ.) /Под ред. Ю.Е. Саета. М., 1989.
12. Растения в экстремальных условиях минерального питания /Под ред. М.Я. Школьника, Н.В. Алексеевой-Поповой. Л., 1983.
13. Г л а д к о в  Е.А.,  Г л а д к о в а  О.В. Оценка комплексной фитотоксичности тяжелых металлов и получение растений, обладающих комплексной устойчивостью. Биотехнология, 2007, 1: 81-86.
14. С т е п а н о к  В.В. Влияние комплексов техногенных элементов на химический состав сельскохозяйственных культур. Агрохимия, 2003, 1: 50-61.

ESTIMATION OF COMPLEX PHYTOTOXICITY OF НЕАVY METALS AND DETERMINATION OF ADMISSIBLE CONCENTRATION FOR ZINC AND COPPER

E.A. Gladkov

In laboratory experiments by the use of the indices of germinating capacity, roots formation and growth in agricultural and some ornamental plants the author determined the phytotoxicity of Zn, Cu, Cd and Pb as anthropogenic ecological factors during their complex and individual action. It was shown, that complex action of two heavy metals at the unfavorable for plants doses may causes both the increase and the decrease of toxic effect. It is necessary to reconsider the maximum permissible concentration for some soil elements in consideration of toxic effect for plants, specifically for Zn this dose size must be reduced to 60 mg/kg, for Cu — to 30 mg/kg.

Key words: ecological factors, maximum concentration limit, heavy metals, salinity.

Оформление электронного оттиска